Характерной особенностью приборов прямого действия является потребление энергии от объекта измерения. Однако это не исключает возможности применения приборов прямого действия для измерения, например, электрического сопротивления или ёмкости, но для этого необходимо использовать вспомогательный источник энергии. Измерительный прибор сравнения предназначен для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно.
На рисунке 1.2 приведена структурная схема автоматического прибора сравнения, содержащая устройство сравнения УС, устройство управления УУ и изменяемую (регулируемую) меру М с отсчётным устройством. Измеряемая величина x и однородная с ней величина x0 подаются на входы устройства сравнения УС. Величина x0 получается от регулируемой меры М. В зависимости от результата сравнения х с х0 устройство управления УУ воздействует на меру М таким образом, чтобы величина x - x0 уменьшалась. Процесс уравновешивания заканчивается, когда x0 = x. При этом значение измеряемой величины отсчитывается по шкале регулируемой меры. Если в устройстве сравнения происходит вычитание величин х и x0, то в данном приборе реализуется сравнение измеряемой величины с мерой нулевым методом. Очевидно, что любой измерительный прибор сравнения должен иметь цепь обратной связи и замкнутую структуру. Обратная связь может применяться и в приборах прямого действия, однако в них она всегда охватывает не весь процесс преобразования, а только его часть. Например, в структурной схеме на рис. 1.1 усилитель постоянного тока может быть охвачен обратной связью. В измерительных приборах сравнения в цепи обратной связи всегда формируется физическая величина, однородная с измеряемой, которая подаётся на вход прибора. Следует отметить, что сравнение измеряемой величины с мерой в приборах сравнения может осуществляться либо одновременно (нулевой метод), либо разновременно (метод замещения).
Рис 1.1 структурная схема прибора прямого действия
Рис 1.2 структурная схема прибора сравнения
Таким образом, приведённая классификация видов и методов измерений позволяет не только систематизировать разнообразные измерения всевозможных физических величин и тем самым облегчить подход к решению конкретной измерительной задачи, но и с общих позиций подойти к рассмотрению структур и принципов действия различных измерительных приборов.
1.5 Механические средства измерений
Конструкция подавляющего большинства механических средств измерения состоит из последовательно расположенных элементов и устройств, каждое из которых в этой последовательности выполняет определённую задачу при измерении. Для того чтобы в дальнейшем при изучении средств измерения было легче представлять их действие, рассмотрим коротко эти устройства и их назначения.
Основание измерительного средства- это конструктивный элемент, на базе которого смонтированы все элементы данного действующего средства измерения. Например, штанга штангенциркуля, скоба микрометра, корпус индикатора часового типа.
Воспринимающий элемент- это часть средства измерения, которая осуществляет его соприкосновение с объектом измерения и воспринимает величину этого объекта, например измерительные губки штангенциркуля, измерительный наконечник индикатора. Часть воспринимающего элемента, непосредственно касающаяся поверхности объекта, иногда называют чувствительным элементом.
Размерный элемент- это одна из деталей средства измерения, которая обладает собственным точным, обычно многозначным, размером, с величиной которого в процессе измерения непосредственно сопоставляется воспринятая средством измерения величина объекта измерения (например, штанга со шкалой штангенциркуля: размер детали, воспринятый губками, сравнивается с ней).
Преобразующее устройство- это внутренний механизм или элемент средства измерения, который преобразует (видоизменяет) малые перемещения, воспринятые от объекта измерения, в большие перемещения на отсчётном устройстве так, что эти большие перемещения исполнитель может непосредственно наблюдать и отсчитывать(например, зубчатая передача в индикаторе часового типа).
Отсчётное устройство создаёт возможность отсчитывать показания средства измерения. В большинстве случаев отсчётные устройства имеют шкалу и указатель, которым служит отдельный штрих, группа штрихов или стрелка. В последнее время распространяются средства измерения с цифровыми отсчётными устройствами. Примером отсчётного устройства может быть нониус штангенциркуля, круглая шкала индикатора и стрелка индикатора часового типа, цифровое табло прибора с цифровой индикацией. В зависимости от назначения и принципа действия конкретного средства измерения и его конструкции используются те или иные комплексы этих устройств и элементов, составляющих структуру этого средства измерения.
2. Практическая часть
Методика измерения шероховатости деталей сложной геометрической формы.
2.1 Общие положения о шероховатости поверхности
Шероховатость поверхности является одной из основных геометрических характеристик качества поверхностей деталей и оказывает влияние на эксплуатационные показатели. Термины и определения основных понятий по шероховатости установлены ГОСТ 25142-82, а параметры и характеристики регламентируются ГОСТ 2789-73.
Требования к шероховатости поверхности должны устанавливаться исходя из функционального назначения поверхности и заданного качества изделий. Если в этом нет необходимости, то требования к шероховатости поверхности не устанавливаются и шероховатость контролироваться не должна. Требования к шероховатости не включают требований к дефектам поверхности (раковины и пр.), поэтому при контроле шероховатости поверхности влияет дефектов поверхности должно быть исключено. В некоторых случаях допускается устанавливать требования к шероховатости отдельных участков поверхности, которые могут быть различными.
2.2 Контактный (щуповой) метод измерительный щуповой шероховатость поверхность
Большое распространение для определения параметров шероховатости поверхности контактным методом получили щуповые приборы, работающие по методу ощупывания поверхности алмазной иглой. Ось иглы располагают по нормали к поверхности. Опускаясь во впадины, а затем, поднимаясь на выступы во время движения ощупывающей головки по испытуемой поверхности, игла колеблется относительно головки соответственно огибаемому профилю. Механические колебания иглы преобразуются, как правило, в электрические при помощи электромеханического преобразователя того или иного типа. Снятый с преобразователя полезный сигнал усиливают, а затем измеряют его параметры, характеризующие неровности исследуемой поверхности (профилометрирование), или записывают параметры профиля поверхности в заранее выбранных вертикальном и горизонтальном масштабах (профилографирование).
Щуповые электромеханические приборы, предназначенные для измерений параметров шероховатости поверхности, называют профилометрами, а такие же приборы для записи неровностей поверхности - профилографами. Профилографы-профилометры позволяют не только записывать профиль поверхности, но и измерять параметры шероховатости.
В щуповых приборах для измерения параметров шероховатости поверхности применяются индукционные, индуктивные, электронные и пьезоэлектрические преобразователи механических колебаний иглы в электрические сигналы.
Отечественной промышленностью выпускаются профилографы-профилометры модели 201, 250, 252, 170311, профилометры модели 130, 253, 280, 296,170621, 170622 и пр.
Общая компоновка прибора представлена на рисунке 2.1. На стойке 1 размещен мотопривод 2, на котором закреплен датчик 3 (или 4). На стол стойки устанавливается предметный стол 5, позволяющий перемещать измеряемую деталь в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Для установки датчика на измеряемую поверхность мотопривод с помощью ходового винта перемещается по направляющим стойки.
Усиление и преобразование электрических сигналов с датчика, а также управление работой прибора осуществляется блоком питания 6 и блоком измерительным 7.Эти блоки связаны соединительными шлангами 8 с мотоприводом, блоком счетно-решающим 9, предназначенным для обработки электрических сигналов и выдачи результатов измерений на цифровое отсчетное устройство, и с записывающим прибором 10, который служит для записи на диаграммную ленту результатов измерения неровностей исследуемой поверхности.
Рис 2.1 Профилограф-профилометр модели 252
Действие прибора (рисунок 2.2) основано на принципе ощупывания неровностей исследуемой поверхности алмазным щупом 1 датчика и преобразования, возникающих при этом, колебаний щупа в изменения напряжения, пропорциональные этим колебаниям. Прибор снабжен индуктивным преобразователем, включающим сердечник 3 и две катушки, а также электронным измерительным блоком 7, счетно-решающим блоком 8 и записывающим устройством 9. Питание индуктивного преобразователя производится от генератора звуковой частоты 4. При перемещении датчика относительно исследуемой поверхности алмазная игла 1, ощупывая неровности поверхности, приводит в колебательное движение коромысло 5 относительно неподвижной опоры 6.
При этом меняются воздушные зазоры между якорем и сердечником, следовательно, меняется и напряжение на выходе трансформатора. Оно усиливается электронным блоком 7, на выходе которого подключены записывающий или показывающий приборы.
Рис 2.2 Принципиальная схема работы профилографа-профилометра модели 252
Основные технические данные профилографа-профилометра 252:
1. Параметры шероховатости поверхности, определяемые по показывающему устройству:
Ra - среднее арифметическое отклонение профиля;
Hmax- высота наибольшего выступа профиля; Hmin- высота наибольшей впадины профиля; tp - относительная опорная длина профиля;
n - число шагов неровностей в пределах длины трассы ощупывания при измерении (по базовой линии).
2. Диапазон измерений: - профилографа, мкм 0,02…250 - профилометра по параметрам:
Ra, мкм 0,02…100
Hmax, Hmin, мкм 0,1…100 tp, % 0…100 n до 1000
3. Уровни сечения профиля при измерении tp, % - 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90.
4. Вертикальное увеличение профилографа - 200, 500, 1000, 2000, 5000, 10000, 20000, 50000, 100000.
5. Горизонтальное увеличение профилографа - 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 50; 100; 200; 500; 1000; 2000.
6. Максимальная длина трассы ощупывания профилографа - 50 мм.
7. Ширина записи - 50 мм.
8. Скорости трассирования датчика - 0,6; 6; 60 мм/мин.
9. Значения отсечек шага - 0,08; 0,25; 0,8; 2,5 мм.
10. Длина трасс ощупывания при измерении (профилометра) - 1,5; 3; 6 мм.
11. Радиус кривизны вершины щупа - 10±2,5 мкм.
2.3 Методика измерения шероховатости деталей сложной геометрической формы
• Диаметр, форму и шероховатость поверхности стали измеряют на расстоянии не менее 25 мм от детали.
• Диаметр деталей измеряют микрометром по ГОСТ 6507-78, скобой по ГОСТ 2216-84, штангенциркулем по ГОСТ 166-80, рулеткой по ГОСТ 7502-80, кривизну - щупом по ГОСТ 882-75.(п. 5.2 в ред. Изменения N 2, утв. Постановлением Госстандарта СССР от 21.03.1988 N 636)
• Огранку проверяют микрометром с призматической пяткой по ГОСТ 24643-81 или по методике, согласованной между изготовителем и потребителем.
• Шероховатость поверхности проверяют профилометрами, профилографами, оптическими приборами или по рабочим образцам в соответствии с требованиями ГОСТ 2789-73.
• Глубину обезуглероженного слоя стали с содержанием углерода более 0,3% определяют по ГОСТ 1763-68 на двух образцах, отобранных от двух разных прутков или мотков партии.
• Шероховатость и огранку проверяют на пяти образцах, отобранных от разных прутков или мотков партии.
Шероховатостью поверхности называется совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами на базовой длине l (рис 2.3)
Рис 2.3 Характеристики и параметры шероховатости
Шероховатость является одним из показателей качества поверхности и оценивается количественно стандартизованными параметрами. Базовая линия - линия заданной геометрической формы, проведенная определенным образом, относительно профиля и служащая для оценки параметров шероховатости. Базовая линия, проведенная так, что в пределах её длины среднее квадратическое отклонение профиля до этой линии минимально, называется средней линией m.
Среднее арифметическое отклонение профиля Ra:
Высота неровностей профиля по десяти точкам Rz - сумма средних арифметических абсолютных отклонений точек пяти наибольших минимумов и пяти наибольших максимумов в пределах базовой длины.
Где Himax и Himin- отклонение максимумов и минимумов профиля. Наибольшая высота неровности профиля Rmax- расстояние между линией выступов профиля и линией впадин в пределах базовой длины. Средний шаг неровностей Sm- среднее арифметическое значение шага неровностей профиля в пределах базовой длины. Шагом неровностей называется длина отрезка средней линии, пересекающего профиль в трех точках и ограниченного двумя крайними точками.