Схемы работы станка совместно с прибором активного контроля 3 страница

Рис. 47. Дроссельно-эжекторный преобразователь с выносным соплом: слева—принципиальная схема; справа — конструкция плоского электрон­ного преобразователя

4. Расчет дроссельно-эжекторных преобра­зователей с выносным измерительным ка­налом в виде цилиндрического сопла с плос­кой заслонкой. Преобразователи, эжекторы которых образо­ваны цилиндрическими соплами, и преобразователи с плоскими эжек­торами используются при построении измерительных устройств, при­веденных на рис. 42, а, б, г, д, е. Связь между конструктивными пара­метрами преобразователей и их метрологическими характеристиками найдена экспериментально и приведена в табл. 16, 17.

В табл. 16 даны характеристики преобразователей, эжекторы ко­торых имеют цилиндрические сопла, а также цилиндрические выносные сопла, конструктивно выполненные согласно рис. 39. Все подводя­щие каналы должны иметь трубопроводы с проходным внутренним диаметром не менее 4 мм.

В табл. 17 даны характеристики преобразователей с плоскими эжекторами и цилиндрическими выносными соплами с конструкцией рабочей части сопла согласно рис. 39.

Схема этих преобразователей приведена на рис. 47, размеры ра­бочей части эжекторов приведены в табл. 18.

В случае применения нескольких сопл зазор между плоской заслон­кой и всеми соплами устанавливается одинаковым и изменяется одно­временно у всех сопл иа одинаковую величину. Так, если в таблице дан прямолинейный участок длиной 100 мкм и указано, что было при­менено 4 сопла, это значит, что характеристика имеет прямолинейный участок при изменении зазора у каждого из сопл на 100 мкм.

В случае явления «перезазоривания» необходимо пользоваться Расходными характеристиками иа используемые выносные сопла, как это имелй место при выборе параметров дроссельных преобразователей (см. рис. 43, 44).

18. Размеры конструктивных элементов рабочей части плоских эжекторов, ми (см. рнс. 47) ь О, аг а. ь, h 1, O.S+O.OC6; 0_ 8+0,007             0.8=J=0,1 1,0+0.01; 1,1+0,03 1,3+°.03 3+0.1 2,5±0,1 4+0.1 4+0.1   1,2+0,01;             1,0±0,1 1,5+°.м

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ

Измерительные схемы пневматических приборов должны обеспечивать: прямое измерения давления в камере первичного преобразователя; измерение, основанное на дифференциальном методе, при котором измеряемое давление сравнивают с некоторым постоянным значением;

измерение, основанное на компенсационном методе, при котором результирующий эффект воздействия измеряемого давления и компен­сирующего доводят до нуля.

При прямом измерении давления (см. рис. 30, 36, 42) в камере пер­вичного преобразователя возникают существенные погрешности, выз­ванные колебанием давления питания. Относительная погрешность для дроссельных и дроссельно-эжекторных преобразователей

8=4^-—100%, (2.19)

где Dh — величина изменения измерительного давления, соответствую­щая изменению зазора (площади) на весь диапазон измерения D_z преобразователя; ДН — погрешность стабилизатора; Н — избыточное давление питания; h — избыточное измерительное давление.

Согласно уравнению (2.19) относительная погрешность возрастает с увеличением h, достигая максимума при минимальном измерительном зазоре. Для уменьшения величины е следует расширять диапазон изме­рения Dh, т. е. желательно использовать весь прямолинейный участок характеристики h (Z) или h (Fp).

Более совершенной измерительной схемой является дифферен­циальная схема (рис. 48, а), состоящая из двух ветвей. В одной ветви, состоящей из входного сопла Fi и пневматического элемента сопло- заслонка, измеряющего деталь 1, расход определяется измерительным давлением h_v Другая ветвь, образованная входным соплом F[ и соп­лом 3 с предварительно установленным зазором Zconst, имеет постоян­ный расход, определяемый давлением h₂ — const. Эту ветвь называют ветвью противодавления.

Рис.

48. Дифференциаль- измерительные схемы Zfgnft пневмати,ескнх приборов: ' а — с дроссельными пре­ образователями; б — с эжек- торными преобразователя­ми; в — с эжекторными преобразователями с вы­носным соплом

ные

j

Дифференциальная схема, для которой характерно сравнение двух давлений hj и Л₂, менее чувствительна к колебаниям рабочего давления. В качестве измерителя "давления 2 применяются силъфонные, мембранные дифференциальные манометры, реагирующие па разность давлений bh= hj — ft₂ ^D Д^ВУХ ветвях системы.

На рис. 48, б, в приведены дифференциальные схемы с дросссльно- зжекторными преобразователями, принцип действия которых анало­гичен.

Относительная погрешность дроссельных и дроссельно-эжектор­ных преобразователей, вызванная колебанием давления питания для дифференциальной схемы при равенстве площадей входных сопл и совпадении формы и размеров выходных каналов обеих ветвей, опре­деляется

^е = -jj- -щ- Ю0%. (2.20)

Условие 6h = 0 реализовано в компенсационной измерительной схеме (рис. 49), представляющей собой самобалансирующийся пневматический мост.

Рис. 4». Компенсационная из­мерительная схема пневматиче­ского прибора

Зазор Z зависит от величины кон­тролируемой детали 1 и определяет измерительное давление h_v Величи­на ft₂ определяется кольцевым зазором •'•>ежду соплом 4 и конической иглой 3. Конструкция показывающего прибо­ра 2 выполнена так, что при наличии разности давлений ftj и h_s чувстви­
тельный элемент (мембрана) перемещает коническую иглу и тем самым изменяет давление h₂ до наступления равенства h₁ = h₂. Положение конической иглы относительно сопла является мерой измерения раз­мера контролируемой детали. Погрешность е для компенсационной схемы крайне незначительна.

Аналогичная схема может быть построена и для дроссельно-эжек­торных преобразователей.

КОМАНДНО-ПОКАЗЫВАЮЩИЕ ПРИБОРЫ И ИХ РАСЧЕТ

Дифференциальные сильфонные приборы. Вка- чсстпе командно-показывающих приборов наибольшее распространение получили дифференциальные манометры, шкала которых проградуи- ропана в единицах длины. В качестве упругих чувствительных элемен­тов этих приборов в основном использованы сильфоны (рис. 50).

Сжатый воздух из пневмосети, пройдя через блок фильтра и ста­билизатора, под постоянным давлением Н = const истекает через вход­ные сопла / и в полости сильфонов (рис. 50, а).

Из правого сильфона воздух через кольцевой зазор Z, образо­ванный торцом измерительного сопла 2 и поверхностью контролируе­мой детали, истекает в атмосферу. В этом сильфоне создается измери­тельное давление h_lt величина которого зависит от размера'контроли­руемой детали.

1 Рис. 50. Дифференциальный сильфонный отсчетнй-команд- ный прибор:

1

а — основная схема; б — схема второго варианта узла передачи движения на стрелку прибора

Из левого енльфона воздух истекает в атмосферу через узел про­тиводавления 3, а в полости сильфона создается постоянное давление /и. Свободные концы сильфонов жестко связаны стяжкой 9, подвешенной на плоских пружинах 4.

Положение подвижной системы прибора определяется разностью измерительного давления h_l и некоторого постоянного противодавле­ния А₂. Перемещение подвижной системы измеряется с помощью меха­низма 8, который включает стрелку со шкалой и рнчажно-зубчатую передачу от сильфонов к стрелке.

В некоторых конструкциях передача движения на стрелку осу­ществляется капроновой нитью 2 (рис. 50, б), образующей петлю на оси стрелки 1. Один конец нити прикреплен к кронштейну 4, который крепится к подвижной системе прибора 3, а другой конец нити натянут пружиной 5.

На подвижной системе прибора (см. рис. 50, а) с помощью плоских пружин 7 закреплены подвижные электрические контакты. Для пред­варительного натяжения пружин с целью обеспечения необходимого усилия замыкания контактов служат упоры 5. Винты 6 с неподвижными контактами служат для настройки срабатывания электрических кон­тактов при заданном размере контролируемой детали. В существующих приборах число пар контактов достигает шести.

При дифференциальных измерениях вместо узла противодавления устанавливают второе измерительное сопло, аналогичное соплу 2.

Из принципиальной схемы (см. рис. 50, с) видно, что чувствитель­ность прибора

= (2.21)

где kz — чувствительность пневматического преобразователя, образо­ванного соплами 1 и 2; к_ы — чувствительность механизма передачи от сильфона на стрелку; k_c — чувствительность сильфонов.

k - А.

Ас-—,

где F_a—эффективная площадь сильфонов; q — жесткость двух сильфо­нов и их пружинной подвески, приведенная к оси действия сильфонов.

Чувствительность иа электрические контакты kc-kz для сильфон- ных приборов микронной точности обычно принимают равной 20—50. Уменьшение чувствительности на контакты ведет к уменьшению точ­ности настройки контактов, а также к усложнению механизмов наст­ройки и передачи на стрелку. Таким образом, чувствительность силь­фонов

Учитывая механический и эрозионный износ контактов, после заданного числа срабатываний чувствительность сильфонов должна удовлетворять условию

А_из ^ А

где Д_нз — механический и эрозионный износ контактов; Лz — допу­стимая/погрешность измерения.

Величина

износа Аиз зависит от материала контактов и числа сра­батываний.

При определении диаметров входных сопл 1 и V измерительного сопла 2 исходят из того, чтобы при заданном диапазоне измерения Dz
и выбранном рабочем давлении Н измерение осуществлялось на пря­молинейном участке характеристики h (Z). Для уменьшения погреш­ности от колебания давления питания проходные площади входных сопл обеих ветвей принимают равными.

Эффективную площадь сильфонов выбирают исходя из заданной погрешности измерения Дz- Из принципиальной схемы видно, что по мере перемещения сильфонов вместе с замыканием или размыканием контактов на подвижную систему прибора начинают действовать до­полнительные усилия со стороны пружин электроконтактного устрой­ства р_к. Эти усилия вызывают погрешность показаний по шкале, но не влияют на погрешность срабатывания контактов прибора. Кроме того, на погрешности показаний сказывается колебание усилия прижима р_м механизма передачи движения от сильфонов на стрелку.

С целью уменьшения погрешности показаний до заданной величины необходимо увеличивать эффективную площадь сильфона так, чтобы усилие Р_с, развиваемое сильфонами при изменении измерительного зазора на величину допустимой погрешности Д^, было равно или больше суммарного дополнительного усилия

Рс^Рк + Рм. (2.23)

Здесь

Р_к = лР + 4-£ q_tlt,

где Р — усилие предварительного прижима пружины к ограничитель­ным планкам, обеспечивающее надежное замыкание контактов; выби­рают в зависимости от материала контактов (для вольфрамовых кон­тактов Р « 0,3#=30 гс); п — число контактов; — величина пере­мещения контакта в замкнутом состоянии; qi — жесткость пружины, несущей контакт (в существующих приборах с вольфрамовыми контак­тами qi = 2 сН/мм).

Усилие Р_с, развиваемое сильфонами при изменении измеритель­ного зазора на величину погрешности измерения Д^,

Р_с = F-M Д₂. (2.24)

Из условий (2.23) и (2.24) определяют эффективную площадь

сильфонов

_F ^ Рк + Р«_

kz &Z

Жесткость сильфонов и их пружинной подвески находят из (2.22)

q =

Fskz

20+50'

Чувствительность механизма от сильфонов к указателю опреде­ляют из (2.21)

а

где ⁼ —' ^{здесь а} — заданный или выбранный интервал деления шкалы; t'₂ — заданная цена деления шкалы прибора.

Методика расчета сильфонных приборов может быть использована для расчета приборов, в которых в качестве упругого элемента приме­няют мембраны, мембранные коробки.

По схеме на рис. 50 выпускают несколько моделей сильфониых дифференциальных приборов, технические характеристики которых приведены в табл. 19. Приборы, выпускаемые заводом ЧИЗ (Челя­бинский инструментальный завод), предназначены специально для построения средств активного контроля. Они включают в себя дополнительно электронный блок, светосигнальное устройство и блок фильтра со стабилизатором (кроме прибора БВ-6017-4к). Остальные приборы, рассмотренные в табл. 19, этнх блоков не имеют, но в соче-

19. Технические характеристики юнандио-коказывающих дифференциальных сильфонных приборов Модель Число Цена деления, мкм I Погреш­ность, мкм (мм вод. ст.) Перепад давления иа рабочем ходу, МПа Масса, кг Габаритные размеры, мм Завод-изготовитель контактов делений шкалы срабатывания смещения настрой­ки после 25 000 сра­батываний 236 249 6 3 2 ±40 0,2—2 (Ю) Исполне­ние I — 0,003 Исполне­ние II — 0,052 2,03 1,94 1,92 4,2 128Х X 90Х X 100 А а к ч ев а ¥ 0,1—2 (7) (5) 0,011 150Х X 135Х X 105 БВ-6017-4К ±1 0,052 4,3 151 X X 136Х X 120   БВ-6060-2К   0,5;       250Х т К               X 200 X £Г     1,0;   0,5 0,05   X 254   БВ-6060-4К   2,0     280 X                   Х314Х                   X 415   Примечания: 1/Рабочее давление 0,1 — 0,2 МПа. 2. Рабочий ход сильфонов ±2 мм.

тании с блоками, выпускаемыми заводом «Калибр», их можно приме­нять в качестве отсчетно-командных приборов средств активного конт­роля.

Компенсационные приборы. Технические характе­ристики компенсационных приборов приведены в табл. 20, а принци­пиальная схема — на рис. 51, а.

Сжатый воздух под давлением питания Н истекает через входные сопла 1 и 10 в измерительную 9 и компенсационную 3 камеры. Из камеры 9 воздух истекает в атмосферу через зазор Z между торцом соп­ла 2 и поверхностью контролируемой детали 8, а из камеры 3 — через кольцевую щель между поверхностями конической иглы 6 и сопла 4. Мембрана (из прорезиненной ткани) 7 находится в покое только в том случае, если давление в камерах 3 и 9 одинаково. При изменении за­зора измерительное давление также меняется и равновесие мембраны нарушается.

20. Технические характеристики командно-показывающих компенсационных приборов (изготовитель — завод «Калибр»)     Я «а Погрешность, мкм к   •и   < S3 Л) Цена деления, mi в а ч (U « ? к к Д на- после :раба- в ш « н в с   « <в а ш | Модель О * о ч и В В" Число шкалы в ш « т м X о с п 3 н « 2.+I У ' смещеиия стройки 25 000 ( тываний Давление МПа Масса, кг в Ез <и (О - я 3 !-• а. 324-1 324-2 324-3 - юеч — ОО   0,8 0,5 0,3   -   4,8 0138X165             0,2±0,005                     327-1 327-2 327-3 0,5 0,2     0,5 0,3 0,16   6,5 0138X210

Перемещаясь, мембрана изменяет положение иглы 6 относительно сопла 4 таким образом, что давление в компенсационной камере вновь становится равным измерительному давлению. Перемещение иглы 6, отсчитываемое по шкале прибора 5, является мерой изменения размера детали 8.

Получение команд в компенсационных приборах осуществляется с помощью электроконтактных преобразователей, как это имело место в сильфонных приборах.

С помощью компенсационного прибора можно измерять разность двух размеров. Для этого в компенсационную камеру включают второй пневматический преобразователь. Конструктивно компенсационные приборы просты, обладают высокой точностью, менее инерционны по сравнению с сильфониыми приборами. Как правило, они работают при давлении питания Н = 0,1-5-0,4 МПа (1—4 кгс/см²).

По компенсационной схеме построены приборы «Этамию» фирмы «Ателерс де Норманди» (Франция).

В зависимости от угла конуса иглы приборы «Этамик» выпускают с ценой деления 0,0005; 0,001 и 0,002 мм соответственно с диапазоном измерения 0,04; 0,08 и 0,16 мм. Погрешность этих приборов не превы­шает цены деления.

Зависимость величины перемещения конической иглы 6 от изме­нения зазора определяется из условия компенсации давлений, которое сводится к равенству отношений площадей истечения через сопла ком­пенсационной и измерительной ветвей

где Fi = ----------- площадь истечения через входное сопло 1; г₂ =

= nd_zZ — площадь истечения через кольцевой зазор, образуемый торцом измерительного сопла 2 и поверхностью контролируемой де­тали; F₁₀ = — площадь истечения через входное сопло 10;

F_t—площадь истечения через кольцевой зазор между конической иг­лой 6 и соплом 4 (см. рис. 51, б); определяется как боковая поверхность усеченного конуса с радиусами оснований ОВ и ОС

f₄ = ВСп(0'В +ОС),

где ВС = I sin а; = ОС = -А. — CD = А _fiCcosa =

= — / sin a cos а.

Тогда F₄= ixdj sin a — nl² sin² a cosa.

Для уменьшения влияния колебания величины рабочего давления на результаты измерения принимают d_x — d₁₀, тогда условие компен­сации имеет вид

F, = F_x. (2.27)

4 Е, И. Педь и ЯР.

Подставляем выражения для площадей f_а и f₄ в условие компен­сации (2.27) и далее, решая его, получим основную характеристику компенсационного прибора

I = -j-4----- Z. (2.28)

d₄ sin ос

Чувствительность собственно пневматической измерительной схемы

где Д/ — приращение перемещения иглы при изменении зазора на ве­личину Д Z.

Из выражения (2.29) видно, что чувствительность при условии dj = = di₀ не зависит от величины их диаметров.

Из практики эксплуатации компенсационных приборов рекомен­дуется диаметр входного сопла выбирать равным 0,7—0,8 мм. Диаметр измерительного сопла обычно принимают равным 2 мм. При этом можно обеспечить ход мембраны достаточно линейным на величину 1—1,5 мм.

С целью предотвращения заедания иглы в сопле 4 диаметр цилинд­рической части иглы d„ должен быть меньше диаметра сопла. С другой стороны, для обеспечения нулевого перепада давлений на мембране 7 уже при малых измерительных зазорах d_H не следует делать значитель­но меньше диаметра сопла, поэтому принимают d_H = d_it причем до­пуски диаметров сопла и иглы выбирают соответственно скользящей посадке 1—2-го класса точности.

Величину диаметров иглы и сопла определяют из условия, что при минимальном измерительном зазоре Z_mln ширина кольцевой щели между конусом иглы и соплом

Дшш = 0,025-т-0,04 мм.

При меньшей величине A_min возможно засорение щели и, следо­вательно, снижение надежности работы прибора. Минимальная ширина щели (см. рис. 51, б)

Amin = /nun sin а, (2.30)

Где

Лп1п = ^n^min; (2.31)

здесь Zata = Z_CpDz — минимальная величина измерительного

зазора (Z_cp и Dz — средний зазор и диапазон измерения выбираются по табл. 8—10 с учетом выбранных d_x и d₂ и заданного давления пита­ния).

Из выражений (2.29) — (2.31) получаем диаметр сопла 4

djZ_mi_n Amin

Угол конуса иглы определяют из условия обеспечения заданной чувствительности прибора. Из принципиальной схемы рис. 51, а следует, что суммарная чувствительность всего прибора

^ks, — ^AiAI»

где k_M — чувствительность прибора 5, измеряющего перемещение кони­ческой иглы. В качестве такого прибора используют обычно индикатор

Расового типа с ценой деления 0,01 мм.

ft.

Таким образом, k_n = ■ . . Половина угла конуса иглы при найден-

«м

ных значения k_a и d_t определяется из (2.29) а = arcsln .

Эффективную площадь мембраны находят исходя из условия, что погрешность измерения, вызванная колебаниями измерительного усилия индикатора часового типа и колебаниями усилий пружин, ресущих электрические контакты (если последние включены в кине­матическую цепь прибора), не должна превышать заданной величины Д^

(2.32)

где АР — наибольший суммарный перепад усилий на мембрану; kz — Чувствительность пневматического преобразователя, образованного соплами 10 и 2\ F₃— эффективная площадь мембраны, подсчитывае­мая по формуле

Здесь D — диаметр заделки мембраны (см. рис. 51, а); £>_ж — диаметр Жесткого центра.

Обычно принимают = 0,8, тогда эффективная площадь мем­браны

F₃ = 0,813 —•.

Чтобы погрешность измерения не превышала заданной допустимой величины, согласно неравенству (2.32) эффективная площадь мембраны АР

I.25 У ТгЬ; ^ж = 0,8D,

F₃Ss , , откуда можно найти диаметр мембраны D и жесткого kz Az

центра £>_ж

АР kz^z'

Усилие прижима Р_п измерительного стержня индикатора часового типа к игле должно быть в 3—4 раза больше усилия Р_в, выталкиваю­щего иглу из компенсационной камеры максимально возможным давле­нием, т. е. давлением питания Н

^ Р_в==*йщ Р_в = (3-8-4) Р_в.

л', й, h„ d'z Z„

кгг \ ч^ру

Оригинальная конструкция компенсационного прибора разрабо­тана в Омском политехническом институте [4], принципиальная схема прибора приведена иа рис. 52.

Измерительная ветвь образована входным соплом 2 и измеритель­ным соплом 1, а компенсационная — входным соплом 3 и компенса­ционным соплом 4. Первичные преобразователи соединены с соответ­ствующими камерами прибора. При изменении зазора Z, образованного торцом измерительного сопла 1 и поверхностью контролируемой де­тали, измерительное давление в верхней камере также изменяется и равновесие мембраны 7 нарушается. Перемещаясь, мембрана через си­стему рычагов изменяет зазор Z_K между торцом сопла 4 и поверхностью рычага 5 таким образом, что давление в компенсационной (нижней) камере вновь становится равным измерительному давлению. Переме­щение рычага 5, отсчитываемое по шкале индикатора 6, является мерой изменения размера детали.

Наличие рычага 5 позволяет регулировать цену деления прибора в пределах 0,5—5 мкм путем изменения длины малого плеча рычага. При отношении плеч а : Ь — 1 : 10 и цене деления индикатора 0,01 мм цена деления прибора составляет 0,001 мм. Газодинамическое равенство выходных дросселирующих каналов измерительной ветви и компен­сационной позволило получить прибор с линейной характеристикой (нелинейность не более 1%) и крайне малой погрешностью, связанной с колебанием давления питания.

Рнс. 52. Схема компенсационного прибора конструкции Омского политехнического ин­ститута Рис. 5S. Схема показывающего прибора на базе универсального прибора и элемента сравнения 9C-S

Принципы построения команд но-п оказыва­ющих приборов на базе стандартных мано­метров и мембранной техники. С помощью стандарт­ных манометров классов 0,5—1 н элементов УСЭППА [3] получают высокоточные показывающие приборы, а с дополнением дискретных пневматических преобразователей — командно-показывающие прибо­ры. На рис. 53 представлена схема показывающего прибора, в котором используется пятимембранный элемент сравнения ЭС-5 и стандартный манометр М.

Измерительная схема состоит из трех ьствей: измерительной ветви (сопло d_x и d₂), в камере которой создается давление Л, завися­щее от контролируемой линейной величины Z; ветви противодавления (сопло d{ и d'₂), в камере которой устанавливается постоянное давле­ние h_n, зависящее от настраиваемого зазора Z_n; ветви компенсации, образованной переменными кольцевыми каналами у сопл d₃, в камерах которой устанавливается давление h_K, зависящее от соотношения площадей этих каналов.

Если не учитывать влияние малых мембран и считать эффектив­ные площади больших мембран равными, то равновесие подвижной системы элемента сравнения наступит при условии

2Л — Л_П — h_K = 0.

Из уравнения равновесия видно, что давление h_K, измеряемое манометром М, определяется разностью давлений 2/г — h_n, благодаря чему удается выделить полезный сигнал, а также существенно умень­шить погрешность от колебания давления питания Я, как это имело место при использовании дифференциальной схемы. Кроме этого, элемент сравнения усиливает сигнал.