СПОСОБ КОНТРОЛЯ ОТКЛОНЕНИЙ ОТ ПЛОСКОСТНОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК G01B5/28 

Изобретение относится к измерениям точности формы поверхности, а именно, к способам и устройствам для контроля отклонений от плоскостности.

Известны аналогичные способы контроля отклонений от плоскостности (Контроль прямолинейности и плоскостности поверхностей. Л.Д.Медянцева, В.В. Горбачева, Е.Е.Шарова. - М.: Изд. стандартов. 1972. -119 с.; Единая система допусков и посадок СЭВ в машиностроении и приборостроении. Контроль деталей: Справочник. - М.: Изд. стандартов. 1984. -C.200; a.c. 381863, БИ 20, 1973, 01 5/28; a.c. 564512, БИ 25, 1977, 01 B 5/28), включающие измерение отклонений расстояний точек контролируемой поверхности от эталонного элемента. Аналогичные способы имеют недостаток, заключающийся в малой производительности в связи с необходимостью большего количества действий по выверке заготовки и измерению расстояний отдельно в каждой точке контролируемой поверхности. Кроме того, аналогичные способы недостаточно точны.

В качестве прототипа по своей технической сущности наиболее близко к заявляемому способу контроля подходит способ контроля плоскостности прямоугольных плит (а. с. 564512, БИ 25, 1977) с помощью двух поверочных мостиков, поверочной линейки. При этом способе измеряют расстояние от контролируемой точки плиты до линейки и на основе измерений судят об отклонениях от плоскостности. Способ-прототип имеет низкую производительность, т.к. требует много затрат времени на установку и выверку поверочных мостиков, а затем поверочной линейки, а также при переходе от точки к точке. Точность способа-прототипа недостаточна, т.к. размерная цепь при нем содержит много звеньев.

Заявляемый способ контроля лишен указанных недостатков.

Сущность изобретения способа заключается в том, что в способе контроля отклонений от плоскостности, заключающемся в использовании эталонного элемента, установке контролируемой поверхности детали параллельно эталонному элементу, расположении измерителя между эталонным элементом и контролируемой поверхностью, измерении отклонений расстояний между ними в разных точках и определении на основе измерений величины отклонения от плоскостности, в качестве эталонного элемента берут образцовую плиту, измеритель вращают вокруг первой оси, перпендикулярной контролируемой поверхности, перемещают его по траектории в виде кривой, близкой к эллиптической спирали с базой на эллипс, плавно переходящий в него, центр которого совмещают с центром симметрии контролируемой поверхности, оси эллипса выбирают равными не менее 0,9 соответствующих длины и ширины контролируемой поверхности, а шаг эллиптической спирали таким, что обеспечивается не менее трех оборотов измерителя, удерживают при этом его лицевую сторону, обращенной к оператору контроля путем возвратно-качательного движения измерителя около второй оси, параллельной первой, находящейся в плоскости, перпендикулярной контролируемой поверхности и наибольшей кромки детали и проходящей через ее центр симметрии, отстоящей от указанного центра симметрии на расстоянии не менее двух ее длин.

Известны аналогичные устройства для осуществления способа контроля (Контроль прямолинейности и плоскостности поверхностей. Л.Д.Медянцева, В.В. Горбачева, Е.Е.Шарова. - М.: Изд.стандартов. 1972. -119 с., с. 33-34; Точность и производственный контроль в машиностроении: Справочник/ И.И.Болонкина, А. К.Кутай, В.И.Сорочкин, Б.А.Тайц. Под общей редакцией А.К.Кутая, Б.М.Сорочкина. - Л. : Машиностроение, 1983. -368 с. Рис. 10.3, с. 284), содержащие корпус, раму, измеритель, механизмы перемещений измерителя. Устройство позволяет измерять отклонения от плоскостности в разных точках контролируемой поверхности. Но аналогичные устройства имеют недостатки: недостаточные точность и производительность.

В качестве прототипа наиболее близко к заявляемому техническому решению по своей технической сущности подходит устройство (Контроль прямолинейности и плоскостности поверхностей. Л.Д. Медянцева, В.В.Горбачева, Е.Е.Шарова. - М.: Изд.стандартов. 1972. -119 с., с. 33-34), содержащее корпус, измеритель, раму, механизм вращения измерителя и механизм возвратно-качательного движения измерителя вокруг двух параллельных осей. Устройство-прототип позволяет решить технические задачи измерения отклонений от плоскостности в разных точках поверхности. Но оно имеет и недостатки: недостаточные точность и производительность. Недостаточная точность обусловлена большим числом подвижных соединений и их точность изготовления. Недостаточная производительность объясняется большим числом действий по перестановке устройства с одной измеряемой зоны в другую.

Заявляемое устройство лишено указанных недостатков.

Сущность изобретения устройства состоит в том, что в устройстве для осуществления способа, содержащем корпус, раму, измеритель, механизм вращения измерителя и механизм возвратно-качательного движения измерителя вокруг соответственно первой и второй параллельных осей, механизм вращения измерителя выполнен в виде планшайбы, несущей измеритель, подвешенный на корпусе с возможностью вращения вокруг первой оси от привода через червячную передачу и центральное зубчатое колесо, установленное на корпусе, паразитное колесо и зубчатое колесо с внутренним зацеплением, установленные в планшайбе, снабжен эллипсным механизмом, механизмом радиального перемещения и механизмом управления радиальным перемещением измерителя; при этом эллипсный механизм выполнен в виде трех пальцев, обтянутых бесконечным тросом, два из которых установлены на корпусе с возможностью регулирования их положения на межцентровом расстоянии, равном фокусному расстоянию эллипса, а третий палец - на каретке, подпружиненной относительно планшайбы и установленной в ее направляющих с возможностью радиального перемещения; механизм радиального перемещения измерителя выполнен в виде ползуна, несущего шип и установленного в направляющих каретки с возможностью радиального перемещения на ней от привода через винтовую передачу, ходовой винт которой связан через муфту, сменные зубчатые колеса, конические шестерни и цилиндрическую шестерню с центральным зубчатым колесом; механизм управления радиальным перемещением измерителя выполнен в виде тяги, связанной с муфтой и установленной в планшайбе с возможностью возвратно-поступательного движения от упора, закрепленного на ползуне с возможностью регулировки его положения; механизм возвратно-качательного движения измерителя выполнен складным, рама которого снабжена с одной стороны вилкой, отверстие верхней щеки которой соединено шарнирно с шипом, а в нижней щеке закреплены измеритель и щуп, контактирующий с образцовой плитой, причем нижняя щека выполнена регулируемой относительно верхней щеки, а с противоположной стороны снабжена двумя параллельными цилиндрическими штырями, перпендикулярными отверстиям вилки в щеках, установленными с возможностью перемещения во втулках вала, закрепленного с возможностью его поворота в кронштейне и соосного с осью возвратно-качательного движения измерителя, при этом кронштейн закреплен неподвижно относительно платформы.

Отличительные признаки способа сведены к изменению структуры его, т.к. введены новые действия: берут образцовую плиту; измерителю сообщают дополнительное непрерывное перемещение по эллиптической спирали и поворот вокруг оси, отстоящей от центра контролируемой поверхности на расстоянии не менее двух ее длин.

Отличительные признаки устройства сведены также к изменению его структуры путем ввода новых дополнительных механизмов: эллипсного механизма, механизма радиального перемещения измерителя и механизма управления радиальным перемещением измерителя. Известные элементы: механизмы перемещений измерителя выполнены по-другому. Также и рама выполнена по-другому. Введен элемент - платформа.

Заявляемые способ и устройство позволяют решить технические задачи повышения точности и производительности контроля, удобства работы.

Повышение точности по сравнению с прототипом достигается за счет уменьшения числа звеньев в размерной цепи измерения. Устраняются промежуточные звенья в виде поверочных линеек и мостиков. Резко увеличивается число точек контроля, что повышает достоверность и надежность результатов измерения. Повышение производительности достигается за счет непрерывного движения измерителя по определенной наперед заданной кривой, за счет исключения многочисленных операций выверки. Удобство работы обеспечивается расположением лицевой стороны измерителя в течение всего процесса контроля в направлении оператора-исполнителя.

Таким образом, логический анализ показывает, что заявляемые способ и устройство позволяют достигнуть дополнительный технический результат повышения точности, производительности и удобства обслуживания, чего невозможно обеспечить с помощью прототипов.

Графические материалы заявки содержат: фиг. 1 - схему траектории движения измерителя; фиг. 2 - общий вид устройства, вид спереди; фиг. 3 - то же, вид А; фиг. 4 - то же, вид Б.

Деталь 1 с контролируемой поверхностью 2 установлена на столе 3. Образцовая плита 4 закреплена в корпусе 5, выполненном в виде жесткого портала. Измеритель 6 расположен между контролируемой поверхностью 2 и образцовой плитой 4 с возможностью вращения вокруг первой оси О₁О₁, совпадающей с центром O_ц контролируемой поверхности 2. Измеритель имеет возможность одновременно перемещаться в радиальном направлении и в итоге - по кривой 7, представляющей собой приближенно эллиптическую спираль с шагом t. Итак, кривая 7 - траектория измерителя 6 получена сложением вращения его вокруг первой оси O₁O₁ и радиального перемещения от или к центру О_ц. За основу принят эллипс с полуосями "а" и "b", фокусы которого расположены в точках E₁ и E₂, расположенных друг от друга на фокусном расстоянии симметрично относительно центра О_ц. Оси 2a и 2b эллипса приняты равными не менее 0,9 длины L и ширины В детали 1, соответственно. Шаг t кривой 7 равномерен за исключением переходной зоны, в которой она приближается к эллипсу 8. Шаг t выбирают по значению таким, чтобы обеспечить не менее трех оборотов измерителя 6 вокруг первой оси О₁О₁. Следовательно, кривая 7 должна иметь не менее трех спиралей, следующих друг за другом. При форме контролируемой поверхности - квадрате эллипс заменен окружностью, а кривая 7 - архимедовой спиралью. Таким образом, измеритель 6 имеет возможность начинать движение из центра О_ц, описывать кривую, проходящую через точки Г₁, Г₂, Г₃ ... Г_п. Это движение осуществляется посредством эллипсного механизма, включающего три пальца 9, 10, 11 и бесконечный трос 12. Оси пальцев 9, 10 совпадают с фокусами Е₁, Е₂, а пальца 11 - с точкой К, движущейся по эллипсу 8. Первый механизм вращения измерителя 6 вокруг первой оси О₁О₁ выполнен в виде планшайбы 13, которая подвешена на корпусе 5 и может вращаться вокруг оси О₁О₁ от привода через червячную передачу 14, 15 и центральное зубчатое колесо 16, установленные в корпусе 5. Центральное зубчатое колесо 16 зацепляется через паразитное колесо 17 с зубчатым колесом 18 с внутренним зацеплением, установленными в планшайбе 13. В качестве привода используется электродвигатель либо ручной - посредством рукоятки (условно не показаны). Первый механизм вращения измерителя дополнительно снабжен эллипсным механизмом, механизмом радиального перемещения измерителя и механизмом управления радиальным перемещением измерителя. Как было сказано, эллипсный механизм состоит из трех пальцев 9-11 и бесконечного троса 12, обтягивающего их. Два пальца 9, 10 установлены на корпусе с возможностью регулировки их положения. Палец 11 установлен на кронштейне 19 каретки 20. Каретка 20 имеет возможность перемещаться в направляющих 21 планшайбы 13 в радиальном направлении - перпендикулярно оси О₁О₁ под действием пружины 22 и вследствие силового замыкания бесконечного троса 12 на пальцы 9-11. Механизм радиального перемещения измерителя состоит из ползуна 23, имеющего возможность перемещаться по каретке 20 в радиальном направлении, т.е. совпадающем либо противоположном направлению движения каретки. Движение ползуна 23 вместе с расположенным на нем шипом 24, ось которого совпадает с осью измерителя, может быть осуществлено от привода через винтовую передачу, ходовой винт 25 которой соединен через муфту 26, сменные зубчатые колеса 27, 28, коническую передачу 29, 30 и цилиндрическую шестерню 31 с центральным зубчатым колесом 16. Муфта 26 установлена на гладком конце ходового винта 25 посредством скользящей шпонки. Движение ползуна 23 и шипа 24 может быть выключено и включено посредством механизма управления радиальным перемещением измерителя. При выключении движения ползуна 23 и шипа 24, а следовательно, и измерителя 6, измеритель оказывается в точке Г_к траектории своего движения по контролируемой поверхности 2. Дальнейшее перемещение измерителя 6 имеется возможность осуществлять лишь по траектории в виде эллипса 8. Механизм управления радиальным перемещением измерителя состоит из тяги 32, установленной в планшайбе 13 с возможностью перемещения в радиальном направлении. Тяга 32 одним концом связана с полумуфтой муфты 26, а другим может взаимодействовать с упором 33, установленным с возможностью регулировки его положения на ползуне 23. При соприкосновении тяги 32 с упором 33 тяга 32 может перемещаться и выключать муфту 26. Кинематическая цепь движения ползуна 23 и измерителя 6 выключается. Радиальное движение их по эллипсной спирали 7 может прекратиться. Для исключения беспрерывного вращения измерителя вокруг своей оси и обеспечения нахождения лицевой стороны 34 его в направлении наблюдателя, т.е. оператора контроля, а также обеспечения возможности измерения отклонений расстояний от образцовой плиты 4 до контролируемой поверхности служит второй механизм вращения измерителя. Он осуществляет возвратно-качательное движение измерителя 6 около второй оси О₂О₂, параллельной первой О₁О₁, расположенной в плоскости П-ПI, перпендикулярной контролируемой поверхности 2 и наибольшей кромки 35 детали 1. Вторая ось О₂О₂ отстоит от первой оси О₁О₁ на расстоянии не менее двух длин контролируемой поверхности, т.е. L_o≥2L. При выполнении этого условия максимальный поворот лицевой стороны 34 измерителя 6 составляет 12,6^o, что вполне допустимо. Второй механизм вращения измерителя 6 включает раму 36, при нейтральном положении расположенную в плоскости П-П, вал 37, кронштейн 38, платформу 39. Рама 36 с одной стороны выполнена в виде вилки из верхней 40 и нижней 41 щек, а с другой снабжена двумя цилиндрическими штырями 42, 43. Рама отверстием 44 верхней щеки 40 шарнирно соединена с шипом 24. Нижняя щека 41 выполнена с возможностью регулирования ее положения относительно верхней щеки 40. На ней закрепляются измеритель 6 и щуп 45 с возможностью контактирования с контролируемой поверхностью 2 детали 1 и образцовой плитой 4, соответственно. Регулируемость нижней щеки 41 необходима для обеспечения нормального вышеназванного контактирования измерителя 6 и щупа 45 при разных высотах деталей 1 и образцовых плит 4. Цилиндрические штыри 42, 43 параллельны между собой, установлены во втулках 46, 47 вала 37 с возможностью перемещения в них. Ось вала 37 совмещена со второй осью О₂О₂ путем расположения его в кронштейне 38 с возможностью поворота в нем около этой оси. Кронштейн 38, в свою очередь, закреплен неподвижно на платформе 39, скрепленной жестко с корпусом 5 с возможностью поворота относительно его при складывании второго механизма вращения измерителя. Для обеспечения устойчивости платформы 39 в ней имеется регулируемый упор 48. Цилиндрические штыри 42, 43 в рабочем положении рамы 36 стянуты серьгой 49. Нижняя щека 41 крепится на раме 36 болтовым соединением 50. Образцовая плита 4 закрепляется на корпусе посредством фланцев 51, перемещаемых на стойках 52 корпуса 5. Нижняя щека 41 имеет возможность выведения из рабочей зоны контактирования измерителя и возврата назад с последующим закреплением винтовым зажимом 53.

Способ контроля и устройство для его осуществления в динамике. Перед контролем конкретной детали и ее поверхности подготавливают и настраивают устройство. Для этого берут образцовую плиту требуемого типоразмера, базируют и закрепляют ее на стойках 52 корпуса 5 по уровню с помощью фланцев 51. На столе 3 базируют деталь 1, поднимают ее до соприкосновения с образцовой плитой 4. Прижимают деталь к эталонной образцовой плите 4, пока контролируемая поверхность 2 не станет параллельна ей. Закрепляют деталь на столе 3 и вместе со столом опускают до рабочего положения. Настраивают эллипсный механизм. Для этого пальцы 9, 10 устанавливают на корпусе 5 симметрично первой оси O₁O₁ в фокусах E₁ и E₂ на межфокусном расстоянии 2c. Берут бесконечный трос 12, одевают его на пальцы 9-11. Подбирают соответствующие сменные зубчатые колеса 27, 28 (или четыре сменных колеса) устанавливают их на место в кинематическую цепь. Регулируют положение упора 33 и закрепляют его на ползуне 23. Настраивают положение щупа 45 и измерителя 6, устанавливая их в центр O_п. Закрепляют их на нижней щеке 41 рамы 36 и закрепляют щеку 41 на раме 36. Окончательно закрепляют регулируемый упор 48. Включают электродвигатель в приводе вращения измерителя 6. Вращательное движение от электродвигателя передается через передачи 14-18 планшайбе 13. При вращении планшайбы 13 одновременно вращательное движение передается по другой кинематической цепи: зубчатым передачам 16, 31, 30, 29, 28, 27, муфту 26, ходовой винт 25 на ползун 23. Ползун перемещается в радиальном направлении от первой оси O₁O₁, т.е. центра O_ц, к периферии. В результате сложения двух движений, передаваемых по двум кинематическим цепям, измеритель 6 вместе с щупом 45 перемещается по траектории - кривой 7 от точки O_ц к точкам Г₁, Г₂, Г₃, Г₄, ₅Г и т.д., совершая оборот за оборотом, пока не совершит не менее трех оборотов и не попадет в точку Г_к. Во время вращения планшайбы 13 рама 36 совершает возвратно-качательное движение вокруг второй оси O₂O₂. Тем самым поддерживается положение измерителя 6, при котором его лицевая сторона постоянно обращена к оператору. Оператор наблюдает за показаниями измерителя 6, запоминает их, например наибольшие из них. Достигнув точки Г_к ползун 23 останавливается, т.к. упором 33 через тягу 32 выключается муфта 26. Кинематическая цепь движения ползуна размыкается. Дальше измеритель 6 перемещается по эллипсу 8. Оператор по окончании этого движения выключает электродвигатель. На основе наблюдений делают заключение о величине отклонения от плоскостности. Например, выбором наименьшего значения из наибольших числовых значений показаний измерителя.

Пример конкретного выполнения. Требуется проконтролировать деталь с размерами контролируемой плоскости 500 х 400 мм. Допуск на отклонение от плоскостности равен 0,008 мм. Выбирают эталонную образцовую плиту размером 630 х 400 и устанавливают на устройстве. Определяют величины двойных осей эллипса 2a = 450 мм, 2b = 360 мм, фокусное расстояние 2c = 600 мм. Устанавливают пальцы 9, 10 на фокусном расстоянии друг от друга. Берут бесконечный трос нужных размеров и одевают его на пальцы. Определяют числа зубьев сменных зубчатых колес. Далее выполняют все необходимые действия согласно вышеописанному порядку. При контроле наблюдали следующие максимальные отклонения измерителя: 0,0075; 0,005; 0,0065; 0,006 мм. Принимают за измеренное действительное отклонение от плоскостности, равным 0,005 мм. В любом случае измеренный ряд дает основание сделать вывод о пригодности детали по названному критерию.

Способ может быть использован для контроля отклонения от плоскостности разнообразных деталей более сложной формы, например, для контроля отклонений от плоскостности и одновременно отклонений от параллельности нескольких поверхностей, в том числе, разноуровневых.

Экономическая эффективность использования способа и устройства может быть определена из сравнения стоимостей контроля заявляемых технических решений и прототипа.

Изобретение относится к измерениям точности формы поверхности, а именно к способам и устройствам для контроля отклонений от плоскостности. Способ контроля отклонений заключается в установке контролируемой поверхности параллельно образцовому элементу. При этом в качестве образцового элемента используют образцовую плиту, измеритель вращают вокруг первой оси, центр эллипса совмещают с центром симметрии контролируемой поверхности, оси эллипса выбирают равными не менее 0,9 соответствующих длины и ширины контролируемой поверхности. Устройство для контроля отклонений от плоскостности содержит механизм вращения измерителя, выполненный в виде планшайбы, подвешенной на корпусе. Устройство снабжено эллипсным механизмом, механизмом радиального перемещения измерителя и механизмом управления радиальным перемещением измерителя. Технический результат: повышение точности и производительности контроля, повышение удобства работы. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ контроля отклонений от плоскостности, заключающийся в использовании образцового элемента, установке контролируемой поверхности параллельно образцовому элементу, расположении измерителя между образцовым элементом и контролируемой поверхностью, измерении отклонений расстояния между ними в разных точках и определении на основе измерений величины отклонения от плоскостности, отличающийся тем, что в качестве образцового элемента берут образцовую плиту, измеритель вращают вокруг первой оси, перпендикулярной контролируемой поверхности, перемещают его по траектории в виде кривой, близкой к эллиптической спирали с базой на эллипс, плавно переходящей в него, центр которого совмещают с центром симметрии контролируемой поверхности, оси эллипса выбирают равными не менее 0,9 соответствующих длины и ширины контролируемой поверхности, а шаг эллиптической спирали таким, что обеспечивается не менее трех оборотов измерителя, удерживают при этом его лицевую сторону обращенной к оператору контроля путем возвратно-качательного движения измерителя около второй оси, параллельной первой и находящейся в плоскости симметрии, перпендикулярной контролируемой поверхности и наибольшей кромке детали, отстоящей от центра симметрии контролируемой поверхности на расстояние не менее двух ее длин. 2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее корпус, раму, измеритель, механизм вращения измерителя и механизм возвратно-качательного движения измерителя вокруг соответственно первой и второй параллельных осей, отличающееся тем, что механизм вращения измерителя выполнен в виде планшайбы, несущей измеритель, подвешенной на корпусе с возможностью вращения вокруг первой оси от привода через червячную передачу и центральное зубчатое колесо, установленные на корпусе, паразитное колесо и зубчатое колесо с внутренним зацеплением, установленные в планшайбе; снабжен эллипсным механизмом, механизмом радиального перемещения измерителя и механизмом управления радиальным перемещением измерителя, при этом эллипсный механизм выполнен в виде трех пальцев, обтянутых бесконечным тросом, два из которых установлены на корпусе с возможностью регулировки их положения на межцентровом расстоянии, равном фокусному расстоянию эллипса, а третий палец - на каретке, подпружиненной относительно планшайбы и установленной в ее направляющих с возможностью радиального перемещения; механизм радиального перемещения измерителя выполнен в виде ползуна, несущего шип и установленного в направляющих каретки с возможностью радиального перемещения на ней от привода через винтовую передачу, ходовой винт которой связан через муфту, сменные зубчатые колеса, конические шестерни и цилиндрическую шестерню с центральным зубчатым колесом; механизм управления радиальным перемещением измерителя выполнен в виде тяги, связанной с муфтой и установленной в планшайбе с возможностью возвратно-поступательного перемещения от упора, закрепленного на ползуне с возможностью регулировки его положения; механизм возвратно-качательного движения измерителя выполнен складным, рама которого снабжена с одной стороны вилкой, отверстие в верхней щеке которой соединено шарнирно с шипом, а в нижней щеке закреплены измеритель и щуп, контактирующий с образцовой плитой, причем нижняя щека выполнена регулируемой относительно верхней щеки, а с противоположной стороны снабжена двумя параллельными цилиндрическими штырями, перпендикулярными отверстиям вилки, установленными с возможностью перемещения во втулках вала, закрепленного с возможностью его поворота в кронштейне и соосного с осью возвратно-качательного движения измерителя, при этом кронштейн закреплен неподвижно относительно платформы.