Схемы работы станка совместно с прибором активного контроля 1 страница

ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Пневматические приборы обладают высокой точностью, позволяют производить дистанционные измерения, измерения в относительно труд­нодоступных местах и создавать наиболее простые конструкции изме­рительных устройств для контроля практически любых линейных па­раметров деталей.

Пневматические приборы и преобразователи можно легко комби­нировать, образуя измерительные системы для контроля суммы или разности размеров. Пневматические бесконтактные измерения дают- возможность контролировать легкодеформируемые детали, детали с вы­сокой чистотой поверхности, которые могут быть повреждены механи­ческим контактом, а также исключают износ измерительных поверх­ностей контрольных устройств, что повышает точность и надежность, контроля. ⁴

Пневматические приборы сравнительно легко поддаются автома­тизации, просты в эксплуатации, требуют менее квалифицированного обслуживания, чем другие приборы (индуктивные, емкостные).

Пневматические приборы обладают значительной инерционностью,, снижающей их производительность. Однако при построении сред ста активного контроля нечувствительность к вибрациям является положи­тельным качеством прибора.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

В пневматических приборах использована зависимость между пло­щадью проходного сечения канала истечения и расходом воздуха через, него. Площадь канала истечения изменяется за счет измеряемого линей­ного перемещения.

Структурная схема пневматического при­бора (рис. 29) состоит из первичного пре­образователя 1, воспринимающего линейные перемещения и преобразующего их в изме­рительную информацию; измерительной схе­мы 2, преобразующей сигнал первичного пре­образователя в удобную для дальнейших Преобразований форму; показывающего при­бора 3\ командного устройства 4 преобразо­вания аналогового сигнала измерительной информации при определенных условиях в дискретный сигнал-команду; блока пита­ния 5.

ПЕРВИЧНЫЕ ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ И РАСЧЕТ

Способ преобразования расхода воздуха через чувствительный элемент преобразователя в давление является основным классификационным признаком пневматических преобразователей. Исходя из этих позиций, существующие первичные преобразователи можно разделить на сле­дующие классы: дроссельные, дроссельно-эжекторные, струйные, пневмочастотные и др.

Дроссельные преобразователи. К этому классу относятся преобразователи с чувствительным элементом в виде дроссе­лирующего канала, минимальная проходная площадь которого прямо или косвенно зависит от контролируемой линейной величины, а пре­образование расхода воздуха через этот элемент в давление осущест­вляется с помощью дросселя (входного сопла).

В зависимости от величины расхода воздуха G через дросселирую­щий канал с проходной площадью при постоянном давлении питания р_н в измерительной камере устанавливается определенное абсолют­ное измерительное давление

Ph = f (F„).

По пиду геометрической формы канала дроссельные преобразователи можно разделить на две группы: 1-я группа — преобразователи без изменения направления движения газового потока через канал; 2-я группа — с изменением направления движения газового потока через канал.

Преобразователи 1-й группы образуются при контроле малых отверстий (рис. 30, а), проволоки (рис. 30, в), кольцевых щелей, обра­зованных в сопряжении втулка—вал, щелей в виде «цилиндрическое отверстие — шар» (рис. 30, б) и других по форме каналов.

Преобразователи 2-й группы образуются при бесконтактном конт­роле цилиндрических деталей (рис. 30, г), деталей с плоскими поверх­ностями (рис. 30, д), а также при построении контактных преобразова­телей, имеющих коническую или шаровую заслонки (рис. 30, е, Ж). т. е. к этой группе относятся преобразователи с дросселирующим эле­ментом типа сопло—заслонка.

Рис. 29. Структурная схема пневматического прибора

Изменение направления движения потока в дросселирующем канале (канал типа сопло—заслонка) по сравнению с каналами, где

Рис. 30. Принципиальная схема дроссельных преобразо­вателей

 

такой эффект отсутствует, существенно меняет и физическую картину дросселирования потока. Поэтому основы их расчета и выбора пара­метров для этих групп преобразователей различны.

К конструктивным параметрам относятся диаметр входного сопла, диаметр измерительного сопла, диаметр шара (рис. 30, б, ж), кон­структивные элементы заслонок, вставок (рис. 30, в, е).

Для рассмотрения метрологических характеристик пневматиче­ских преобразователей на рис. 31 представлен график зависимости избыточного измерительного давления h от проходной площади ка­нала Р_л, которую в дальнейшем будем называть статической характеристикой преобразователя. При работе пневмати­ческих приборов используют прямолиней­ный участок характеристики, степень не­линейности которого не должна превышать заданную величину. Этот участок на гра­фике ограничен точками щщ и F_д щах-

К метрологическим характеристикам преобразователя относят следующие ве­личины.

— F

д max

1. Диапазон измерения Dp =

= F

д mln-

Рис. 31. Статическая характеристика дрос- ^льн°го преобразователя:

" flmii, riv

избыточное измерительное давление; д — проходная площадь измеряемого ка­нала

^ E. И. Педь и др.

2. Площадь измерительного дросселирующего канала, соответ-

F -t- F

ствующая середине линейного участка, F_{R ср} = Д ¹¹¹¹¹¹ Т Д ^шах.

2. Чувствительность преобразователя kp^ = (^ \ ха-

Д / "д-Гд ср

рактеризует величину изменения измерительного давления при измене» иии площади (зазора) измерительного канала на единицу площади (дли» ны). Чувствительность максимальна в середине линейного участка, и это значение принимают в расчетах.

Д р„

4. Нелинейность характеристики Ьр = ■ ■■ 100%, где Дf —

Д Up д

расхождение между кривой h = / (F_K) и прямой, ее линеаризующей. Линеаризующая прямая проходит через середину линейного участка с угловым коэффициентом, равным максимальной чувствительности.

Расчет дроссельных преобразователей 1-й группы. Ниже приведена методика расчета преобразователей, принципиальные схемы которых представлены на рис. 30, а и б.

Уравнение статической характеристики преобразователя h (Fд) получается из равенства расходов воздуха G₁ = G₂ через входное сопло F! и измерительный канал F_a. При измерении цилиндрического отвер­стия измерительным каналом будет площадь цилиндрического отвер­стия или площадь щели между стенками данного отверстия и шари­ком (см. рис. 30, б). Для определения массового расхода воздуха ис­пользуются известные из газовой динамики формулы

Gi = f 1И1 У-jfjr V(H-h)p_h для рн > 0,5 р_н\

(2.1)

Si = FiV-i ]/-|fr ~ для p_h < 0,5p„;

G_a = ^дЦд ^для ^ Sa 0,5p_ft;

 

(2.2)

V-

2g Ph RT 2

G2 = ^дНд

для Pa < 0,5р_л,

 

где p_a — атмосферное давление; рн = H -f Р_а — абсолютное давленМ питания (Н — избыточное давление питания); рл = h + Р_а — лютное измерительное давление; ц_д — соответственно коэффк циеиты истечения входного сопла и измерительного канала; R — rasf! вая постоянная; Т— абсолютная температура воздуха. >

Для преобразователей 1-й группы можно принять = I

В этом случае точность расчета будет вполне удовлетворительной дЛ практических целей, погрешность расчета составит не более 10% Решить задачу расчета параметров преобразователей с помощью прЯ веденных уравнений (2.1), (2.2) по заданным метрологическим хара* теристикам достаточно сложно, поэтому ее решают графически с Ш мощью безразмерных характеристик. *

Введение безразмерных характеристик позволило получить уни­версальную методику расчета различных преобразователей 1-й группы. В качестве безразмерных метрологических характеристик приняты следующие величины (в скобках приведены формулы перехода от без­размерных к размерным характеристикам): безразмерное измерительное давление

h=lH-, (2.3)

безразмерная площадь измерительного канала

безразмерное рабочее давление

—■вЪ;-- м

безразмерный диапазон измерения

Ар = Фшах — фтш; D_P/l = D₉F _х; (2.6)

безразмерная площадь измерительного канала, соответствующая середине линейного участка

_ Фшах + Фт1п. г _ г.,_{0 7}ч

фср —------- 2------- ^; °р Фср'i> (■«■')

безразмерная чувствительность

безразмерная нелинейность характеристики

= Ю0%; б_Рд = б_ф> (2.9)

где Дф _ расхождение между кривой g = / (ф) и прямой, ее линеа­ризующей.

Связь между конструктивными параметрами и метрологическими характеристиками, полученная в результате расчета по уравнениям (2.1), (2.2), представлена в виде статических безразмерных характе­ристик на рис. 32. С помощью этих характеристик найдены зависимо- сти ф = f (е_а) (_рис. 33); k_v = / (в_а) (рис. 34) и 6_Ф = / (£)_ф) (рис. 35).

Основная цель расчета по графикам заключается в нахождении конструктивных параметров, которые обеспечивают работу преобразо­вателя в заданном диапазоне измерения на линейном участке харак­теристики, а нелинейность на этом участке не должна превышать задан­ной величины.

Н '

3*

Рис. 32. График безразмерных статиче- Рис. 33. Изменение фс„ в зави­сших характеристик дроссельных преобразо- --------------------------------- вателей 1-й группы

Ча

		\
		\
		\	\
			\
				\
				" "V

1.05

0.90

0.75

№

а* as as

а?

симости от величины е„

О ог ол Ofi ОД

Рис. 34. Изменение Аф в зави­симости от величины е.

1.5 Bp

Пример расчета преобразователя 1-й группы. Рассчитать преобразователь для контроля цилиндрического отверстия 0 1₊₀ jJ нелинейность характеристики не должна превышать 1%; использован прибор с давлением питания Я = 0,1ч-0,15 МПа.

Определим безразмерное рабочее давление.

За номинальное избыточное давление питання принимаем 0,1 МПа, тогда согласно (2.5) получаем r_a= ~■ _р ^ =0,5 (Р_а = 0,1МПа —

атмосферное давление).

По графику на рис. 33, зная в_а, находим безразмерную площадь измери­тельного канала <р_Ср, соответствующую середине линейного участка характе­ристики. Для е_а — 0,5 соответствует q>_Cp = 0,885.

Используя формулу перехода (2.7), найдем диаметр входного сопла F itd2 F 4- F

преобразователя F, = — —jp, где F _ _A™SZ_iS!!L_.

Ф_Ср ч " ^

Я* I 1²/4я-1*/4

--------- '■---- j------------- ^{----- 0,87 мм}- Диаметр входного сопла d_t = у 4F_{д С}р/я<Р_Ср =

=)/4-0,87/л-0,8й5 я; 1,1 мм.

По графику на рис. 34 с учетом того, что е_а = 0,5, определяем безразмер­ную чувствительиоть преобразователя k= 0,56.

По формуле перехода (2.8) определяем размерную чувствительность

= "ь =-£^ 0,56 = 0,059 ^1. ■ •^д F, Ф 0,9о мм²

По графику на рис. 35 находим нелинейность характеристики преобразо­вателя в заданном безразмерном диапазоне измерения, определяемом по фор­муле перехода (2.6),

я-1,1² я* I^s

Д_р Р в;---------- ---

л = д _ Д шах ^гд ш1п 4_______ 4__

<Р F_t Fi 0,95 ' '

Нелинейность характеристики при D 0,17 и е_а = 0,5 существенно меньше 1%.

Для повышения чувствительности преобразователя необходимо умень­шить постоянную составляющую площади измерительного канала преобразо­вателя. Это можно осуществить путем ввода в контролируемое отверстие шара или цилиндрической пробки с диаметром, несколько меньшим номиналь­ного диаметра контролируемого отверстия. Тонкую регулировку чувствитель­ности обычно осуществляют изменением рабочего давления.

Расчет преобразователей для контроля проволоки, построенных по схеме на рис. 30, в, проводят аналогично. Здесь необходимо иметь в виду, что средняя площадь измерительного канала (площадь кольца, образованного контролируемой проволокой и цилиндрическим отвер­стием) равна сумме площадей двух каналов, поскольку используется два выходных отверстия.

Расчет дроссельных преобразователей 2-й ^гРуппы. К этой группе относятся преобразователи с измерительным Дросселирующим каналом в виде элемента сопло-заслонка (рис. 30, г—ж). Выбор конструктивных параметров этих преобразователей по заданным метрологическим характеристикам осуществляется по эксперименталь­ным данным, приведенным в табл. 8—11.

Выбор пара Петров начинают с выбора диаметра отверстия изме­рительного сопла. На основе эксплуатационных, технологических. Метрологических и экономических соображений рекомендуется выпол­нять измерительные сопла диаметром 1,0; 1,5; 2,0 мм (табл. 8—10). иногда, например при бесконтактных измерениях малых размеров,

В. Характеристики дроссельных преобразователей с мементом цилиндрическое сопло—плоская заслонка (измерительное сопло dt =» 1 мм) Диаметр отверстия входного сопла, ии   При нелинейноетв 1% При нелинейности 3%   Н, МПа А Zcp А *ср МПа/мкм     мкм   0,3 0,05 0,10 0,15 0,20 12 10 20 16 30 32 18 28 28 25 24 29 29 1,67 2,48 3,34 3,94 0,8 0,05 0,10 0,15 0,20 16 18 30 30 40 57 75 75 22 50 50 60 55 75 75 0,50 0,93 1,17 1,44 0,6 0,05 0,10 0,15 0,20 40 24 36 36 80 82 96 108 80 66 60 70 70 82 100 110 0,30 0,55 0,77 0,98 0,7 0.05 0,10 0,15 0,20 30 50 30 98 125 145 135 66 70 90 90 97 115 125 140 0,221 0,323 0,46 0,64 0,8 0,05 0,10 0,15 0,20 50 30 60 50 105 140 140 150 82 70 110 90 109 135 145 155 0,14 0,250 0,33 0,42 1,0 0,05 0,10 0,15 0,20 50 60 50 60 115 150 185 160 100 94 120 130 130 143 160 175 0,06 0,12 0,170 0,20

 

Обозначения: Я — давление питания; А — прямолинейный уче- сток характеристики; Z_Cp—измерительный зазор в середине прямолинейно"» участка; ^ъ_г — чувствительность преобразователя.

t>. Характеристики дроссельных преобразователей с элементом цилиндрическое сопло—плоская заслонка

(измерительное сопло d, — 1,5 мм)

Диаметр отверстия входного сопла, мм		При нелинейности 1%	При нелинейности 3%
Н, МПа	А	ZCD	А		V10"' МПа/мкм
		мкм
0,5	0,05 0,10 0,15 0,20	22 22 20 24	33 39 45 52	30 32 45 30	35 40 22 49	0,71 1,21 1,67 2,10
0,6	0,05 0,10 0,15 0,20	30 30 28 28	45 75 84 64	36 42 36 34	76 88 61	0,46 0,77 1,02 1.42
0,7	0,05 0,10 0,15 0,20	50 32 44	75 92 102 100	62 50 56 60	71 90 106 100	0.30 0,54 0,85 0,97
0,8	0,05 0,10 0,15 0,20	30 30 40 40	91 105 125 120	46 50 60 80	93 105 130 125	0,24 0,41 0,56 0,70
1.0	0,05 0,10 0,15 0,20	30 60 60 60	105 140 145 160	30 82 84 100	105 141 158 167	0,13 0,22 0,32 0,41
1.2	0,05 0,10 0,15 0,20	100 90 130 100	130 175 200 200	124 126 170 150	138 177 205 210	0,065 0,139 0,198 0,258
1.5	0,05 0,10 0,15 0,20 *	120 146 170 150	260 247 265 285	240 220 230 210	230 250 265 255	0,038 0,073 0,104 0,131

Примечание. Обозначения см. в табл. 8:

 

10. Характеристики дроссельных преобразователей с элементом цилиндрическое сопло—плоская заслонка

(измерительное сопло d_t — 2 мм)

		При нелинейности 1%	При нелинейности 3%
Диаметр
отверстия входного сопла, мм	Н, Ю'Па	А	Zcp	А	Zcp	V10*' МПа /мкм
		мкм
0,5	0,5 1.0 1,5 2,0	12 16 20 28	30 32 35 38	22 24 32 40		10.7 18.8 24.6 30,0
0,6	0,5 1.0 1,5 2,0	18 24 28	35 40 49 62	32 36 36 46	39 42 48 51	7.2 12,5 16,7 19,7
0,7	0,5 1,0 1,5 2,0	30 30 24 32	50 50 62 70	40 36 30 50	50 48 60 70	4.8 8,0 11,2 14,2
0,8	0,5 1,0 1,5 2,0	30 22 42 40	60 99 109 85	46 60 66 66	63 105 112	3,4 6,2 8,2 10,2
1,0	0,5 1,0 1,5 2,0	40 44 50 84	120 118 115 142	60 60 68 105	115 120 116 143	1,92 3,8 4,4 6,0
1,2	0,5 1,0 1,5 2,0	40 44 60 90	135 162 180 185	66 100 110 130	170 185	1,27 2,36 3,4 4,2
1,5	0,5 1,0 1,5 2,0	50 80 60	145 210 190 237	116 140 140 140	152 190 210 230	0,70 1,33 1,96 2,51
1,8	0,5 1,0 1,5 2,0	110 170 190 110	176 235 255 240	160 220 250 200	180 230 265 280	0,32 0,75 1,18 1.43

Примечание. Обозначения см. в табл. 8.

 

II. Характеристики дроссельных преобразователей с щелевым измерительным соплом 0,5X3 мм и плоской заслонкой Диаметр вход­ного сопла, мм а С S t При не­линей­ности 1% При нели­нейности 3% fcz-10\ МПа/мкм Диаметр вход­ного сопла, мм Я, МПа При не­линей­ности 1% При нели­нейности 3% 3 о я *? С •tt < А Zcp А Zcp А   А 2СР мкм мкм 0,5 0,10 0,15 0,20 25 24 30 37 35 35 35 31 45 37 39 37 1.76 2,46 3,07 0,8 0,10 0,15 0,20 38 40 75 72 82 60 80 95 80 3 20 85 0,68 0,88 1,07 0,6 0,10 0,15 0,20 32 35 47 48 51 45 45 60 60 42 55 1,22 1.72 2,06 1.0 0,10 0,15 0,20 38 40 75 72 82 90 110 160 105 125 120 0,37 0,50 0,58   0,10         0,84   0,10         0,22 0,7 0,15         1,22 1,2 0,15         0.32   0,20         1,48   0,20         0,36

Примечание. Обозначения см. в табл. 8.

 

применяют измерительные щелевые сопла с проходным прямоугольным сечением 0,5X3 мм (табл. 11).

Приведенные в табл. 8—10 экспериментальные данные справед­ливы, если измерительные и входные сопла выполнены согласно чер­тежам на рис. 39—40, а подводящие каналы имеют площадь проходного сечения, соответствующую приведенным ниже рекомендациям.

Основной задачей, решаемой при выборе параметров преобразова­теля, является построение такого преобразователя, у которого харак­теристика будет иметь участок, близкий к линейному. Нелинейность этого участка не должна превышать заданной величины в диапазоне, большем заданного диапазона измерения.

Особенности выбора параметров дроссель­ных преобразователей с несколькими изме­рительными соплами. При контроле деталей несколькими измерительными соплами возможно различное, в известных пределах, распределение суммарного измерительного зазора. Так, при контроле отверстия пневматической пробкой с двумя соплами (рис. 36, а) раз­личные положения пробки могут привести к различным величинам зазоров Z_x и Z₂, хотя суммарный зазор будет оставаться одним и тем же. При неправильно выбранных параметрах схемы такое перераспределе­ние суммарного зазора приведет к различным показаниям прибора. Эта погрешность вызвана кривизной расходной характеристики изме­рительного канала, образованного цилиндрическим измерительным соплом и плоской заслонкой. Эта характеристика представляет собой зависимость расхода воздуха Q от измерительного зазора при постоян­ном давлении питания.

Рис. 36. Контроль отверстия пневматической пробкой с двумя соплами: а — схема измерительного устройства; б — расходная характеристика измерительного канала (цилиндрическое сопло — плоская заслоика)

 

На рис. 36, б приведена расходная характеристика измерительного канала, где точки Л и В ограничивают прямолинейный участок.

Очевидно, что при перераспределении измерительного зазора суммарный расход воздуха не изменится только в том случае, если изме­рительные зазоры перед каждым измерительным соплом лежат в преде­лах прямолинейного участка расходной характеристики. Если же хотя бы один из измерительных зазоров соответствует искривленному уча­стку характеристки, то суммарный расход воздуха должен измениться.

Рассмотрим это иа примере двух измерительных сопл, каждое из которых первоначально имело измерительный зазор, определяемый точкой С, при этом суммарный расход воздуха равен удвоенной орди­нате точки С. Если затем измерительный зазор перед одним измеритель­ным соплом увеличить на AZ, а перед другим уменьшить на AZ, то суммарный расход воздуха будет равен сумме ординат точек D и Е или удвоенной ординате точки С_х. Таким образом, расход воздуха уменьшится на величину 2CC_V что приведет к изменению изме­рительного давления. На рис. 37—38 приведены расходные характе­ристики рассматриваемых измерительных сопл, где штриховыми ли­ниями ограничены прямолинейные участки.

Если работать в пределах прямолинейных участков характеристик h — f (1), то для d₂ = 2 мм и I мм С d_t < 1,5 мм (d₂, dj — диаметры измерительного и входного сопл) погрешность от перераспределения зазоров практически отсутствует.

Конструкции измерительных и входных сопл дроссельных преобразователей. Конструк­ция рабочей части цилиндрического измерительного сопла показана на рис. 39 вверху, а размеры его приведены в табл. 12.

В экспериментальных характеристиках пневматических дроссель­ных и дроссельно-эжекторных преобразователей, особенно при питании их высоким давлением, наблюдается разрыв характеристик, на поя­вление которого наибольшее влияние оказывает наружный диаметр D измерительного сопла. Для ликвидации разрыва характеристики уста­новлены два ряда наружных диаметров сопл. Первый ряд — для прибо­ров высокого давления с одним измерительным соплом; второй ряд —

0 40 80 120 160 200 2W Z,mn 6)

 

 

Рис. 37. Расходные харак­теристики измерительного канала в виде цилиндриче­ского сопла — плоской за­слонки: о — di — l.O мм; D - ■= 2,0 мм; 6 — = 1,5 мм; D = 3,0 мм; в — di = ^ 2.0 мм; D = 4,0 мм

 

для остальной пневматической оснастки (например, для калибров- пробок с двумя измерительными соплами).

tfO SO 120 ISO Z,mw a)

Измерительные сопла изготовляют из стали марки 95X18 по ГОСТ 5632—72**. При изготовлении сопл должно выполняться следую­щее требование: размер d₂ должен обеспечиваться на всей длине L, включая и торец сопла, где недопустимы видимые глазом фаски и за­кругления.