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,	а_г	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

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.

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

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_ммеханизма 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)

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.