ЛИНЕЙНЫЕ И УГЛОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
621.7.08
Средства измерений линейных и диаметральных размеров со струнными преобразователями
В. С. СЕКАЦКИЙ1, Р. И. КУТЧЕР1, А. П. БАТРАК1, В. Н. МОРГУН2
1 Сибирский федеральный университет, Красноярск, Россия, 2 Красноярский ЦСМ, Красноярск, Россия, e-mail: sekackiy@rambler.ru
Рассмотрено устройство струнного преобразователя и методика его расчета. Выявлены свойства данного преобразователя, определена возможность его использования в геометрических измерениях. Ключевые слова: датчик, частота, колебание.
The calculation procedure and the string converter device are considered. The properties are revealed and a possibility of this converter use in geometrical measurements is determined. Key words: sensor, frequency fluctuation.
Повышение производительности труда и качества выпускаемой продукции до уровня лучших мировых стандартов — важнейшая задача в народном хозяйстве. Ее решение требует автоматизации технологического процесса на всех этапах, в том числе и при выполнении контрольных операций.
Большая часть средств измерений (СИ) линейных и диаметральных размеров, выпускаемая в настоящее время серийно, основана на прямом методе снятия показаний по шкале прибора. Такие средства не позволяют проводить измерения в труднодоступных местах, их сложно соединить с компьютером, поэтому альтернативой служат СИ, основанные на косвенных методах измерений.
В статье приведены результаты исследований указанных СИ с использованием струнного датчика, выполненных в Сибирском федеральном университете и Красноярском ЦСМ [1, 2].
Измерительные устройства с выходным частотным сигналом имеют следующие преимущества перед другими измерительными системами:
объективность и точность отчета (так как цифровую индикацию результатов измерений реализовать легко);
большую помехоустойчивость;
стабильность при передаче выходного сигнала на значительные расстояния;
поступление сигнала непосредственно на компьютер (для регистрации результатов измерений и их машинной обработки);
использование статистического контроля в цифровых автоматизированных системах.
При высокой точности измерений какого-либо параметра (размера детали, температуры, давления и др.) аналоговый сигнал с выхода чувствительного элемента, как правило, бывает слабый. Такие сигналы, модулированные по амплитуде, передавать без искажений значительно труднее, чем сигналы, модулированные по ч астоте, вследствие их лучшей помехозащищенности. Примером может служить передача на значительное расстояние эталонного значения частоты с высокой степенью точности, осуществляемая для проверки частотно-измерительных устройств.
Наиболее перспективным и рациональным направлением в последнее время является создание частотных датчиков, позволяющих получать выходную информацию в дискретной форме, так как частоту можно легко преобразовать
в такую форму без внесения погрешностей. Главный элемент всех частотных датчиков — автогенератор. Измеряемая величина оказывает влияние на параметры механического или электрического колебательного контура, изменяя его частоту. В качестве частотно-зависимой цепи используют параметрические датчики активного, индуктивного или смешанного сопротивлений, а также получившие в последнее время большое распространение струнные датчики.
Принцип действия струнных датчиков основан на зависимости собственной частоты колебаний натянутой струны от ее длины, массы и силы натяжения (или от механического напряжения и удлинения).
Точность струнного метода определяется погрешностью, с которой измеряется частота колебаний, однако изменение частоты колебаний струны в зависимости от ее удлинения повышается обратно пропорционально квадрату длины струны. Небольшое предварительное натяжение уменьшает отрицательные последствия упругости струны. Опытным путем на экспериментальном приборе (рычажной скобе) был установлен нижний предел для зависимости механического напряжения струны о от ее удлинения А/. В результате испытаний выяснили, что при малых напряжениях струна перестает издавать чистый звук (нестабильность частоты) из-за усиливающегося влияния жесткости.
Применение слишком короткой струны нецелесообразно, так как из-за влияния крепления ее концов нарушается устойчивость режима. Струны в местах крепления всегда подвергаются значительным местным усилиям, вызывающим пластическую деформацию и связанную с ней текучесть. Чем короче струна, тем эти явления больше сказываются на частоте ее колебаний. Для струны диаметром 0,20 мм предельной минимальной длиной можно считать 40 мм. При назначении исходных данных необходимо учитывать пределы измеряемых размеров.
В большом диапазоне измерений частота собственных колебаний струны с достаточной точностью описывается уравнением
/о = 2(ЕА/ / р/3)1/2, (1)
где ^ — собственная частота колебаний натянутой струны; Е — модуль упругости материала; р — плотность материала струны; /, А/ — длина струны и ее удлинение, соответственно.
Наибольшее отклонение, согласно (1), вызывается из-гибной жесткостью струны в областях малых напряжений, а также при работе струны с напряжениями, близкими к пределу упругости.
В литературе описаны различные физические модели жестких струн, приводящие к разной оценке влияния жесткости [3—6]. Наиболее правильный — подход Ф. Морза, который считает жесткую струну балкой с защемленными концами. В этом случае вблизи крепления струны появляются участки, практически незадействованные в колебаниях, и влияние жесткости уже нельзя свести к постоянному изменению напряжения или другого параметра струны.
Для расчета характеристики жесткой струны можно использовать приближенную формулу Ф. Морза:
fo = 2 (F/ml)
1/2
1 + 2
И El 2 )1/2-
2п2 / 2)
EI El2
(2)
где n — номер гармоники; I = nd4/64 — момент инерции круглых струн; d — диаметр струны.
Силу натяжения струны F можно выразить как
F = SEM /4/,
где S = пг2 — площадь поперечного сечения струны; r = d/2 — радиус сечения струны.
В разработанной рычажной скобе применяют струну диаметром 0,2 мм из углеродистой струнной стали с E = 21011 Па, р = 7,8103 кг/м3, / = 80 мм.
Рассчитаем частоту колебаний струны рычажной скобы с учетом жесткости и без нее при максимально рекомендуемом удлинении A/max = 0,85 мм, сравним полученные результаты. Частота колебаний струны с учетом жесткости, определенная по (2), составляет 1381 Гц, а эта же частота, найденная по (1) и без учета жесткости, равна 1370 Гц. Расхождение составляет 11 Гц.
Из (2) следует, что влияние жесткости сказывается одинаково во всем диапазоне работы струны, так как во втором члене 2(EI/F/ 2)1/2 после раскрытия скобок в (2) исчезает сила натяжения струны. Его изменение, происходящее от нестабильности модуля упругости, может быть одной из причин погрешности преобразователя. Последний член [4 + (n2n2/2)] (EI/F/2) действует на чувствительность и линейность преобразователя, но это влияние, как следует из расчетов, незначительно.
Для сравнения покажем, как влияет жесткость струны на частоту, если в преобразователь поставить струну из того же материала, но диаметром 0,5 мм. Тогда по (2) найдем f0 = 1399 Гц. Расхождение в частоте с формулой (1) при этом диаметре струны уже 29 Гц. Отсюда следует, что чем тоньше струна в преобразователе (датчике), тем меньше влияние жесткости, выше чувствительность струны и меньше нелинейность.
Разработанная рычажная скоба со струнным преобразователем смонтирована на основе корпуса от стандартной рычажной скобы (пассиметра) с регулируемым неподвижным штоком для настройки на заданный номинальный размер. Общий вид скобы представлен на рис. 1 . Скоба предназначена для измерений наружных диаметров, находящихся в интервале 50—75 мм, с пределом измерений для всех размеров в диапазоне 0—1 мм. Измеряемое изделие помещают между неподвижным и подвижным штоками. Последний через рычаги связан со струной, автоколебания ко-
Рис. 1. Общий вид рычажной скобы со струнным преобразователем
торой поддерживаются генератором. Прибор позволяет получить результаты с погрешностью 0,002 мм. Такую погрешность прибор должен обеспечивать при нормальных микроклиматических условиях. Его производительность — около 300 измерений в час. Полученные результаты передают в компьютер, связанный со станками с числовым программным управлением.
Нутромер со струнным датчиком предназначен для измерений диаметров отверстий в труднодоступных местах, в условиях слабой освещенности. Как и индикаторный нутромер, он позволяет измерять отклонения от правильной геометрической формы. Пределы измерений находятся в интервале 150—225 мм. Результаты отображаются на цифровом табло, они могут быть внесены в память компьютера и использованы для статистического анализа. Погрешность отсчета составляет 0,005 мкм.
Схематическое изображение разработанного и изготовленного нутромера представлено на рис. 2. Нутромер состоит из корпуса 10 с подвижным 7 и неподвижным регулируемым 9 штоками и двухплечевого рычага 8, через который перемещения подвижного наконечника передаются на струну 6. Предварительное натяжение струны осуществляется червячным механизмом 1. Струна диаметром 0,5 и длиной 450 мм обеспечивает предел измерений 2 мм без перенастройки наконечника 9. Во избежание дрейфа частоты колебаний необходимо, чтобы струна работала на более высокой частоте и с меньшей амплитудой. Чем короче струна, тем выше частота ее собственных колебаний, но тем меньше диапазон измерений без перенастройки. Для разрешения этого противоречия решили оставить длину струны 450 мм, а рабочую, т. е. колеблющуюся часть, ограничить до 180 мм. Это выполнили с помощью двух порожков 2 по принципу струнных музыкальных инструментов. Установка порожков позволила увеличить частоту колеблющейся струны до 600—700 Гц и выше.
Шток 11 с рукояткой 12 служит для отвода подвижного наконечника 7 при погружении нутромера в измеряемое отверстие. Датчик 5 предназначен для регистрации колебаний струны, возбудитель 4 — для создания автоколебаний. Для проведения исследований разработали генератор с электромагнитным возбуждением.
Исследования показали, что температурная пог
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.