3.1. Источники и характеристики производственных погрешностей

Опыт производства любой промышленной продукции показывает, что получить детали, совершенно одинаковые по размерам, невозможно. Если даже технологический процесс, машины, инструмент остаются неизменными и персонал, обслуживающий этот процесс, один и тот же, все же размеры деталей всегда варьируют в более или менее широких границах, т. е. имеют место производственные погрешности.

Погрешности размеров могут возникать как при обработке, так и при контроле деталей. Те и другие погрешности имеют в основном одинаковый характер и подчиняются одним и тем же закономер-ностям.

Эти погрешности вызываются причинами двоякого рода. Одни из них действуют в постоянном направлении, соответственно вызывая отклонения размеров всегда в одну сторону. Например, износ токарного резца или шлифовального круга будет вызывать систематическое увеличение, при неизменных прочих условиях, диаметра обрабатываемых деталей, износ развертки — уменьшение диаметра отверстий. Также односторонне и систематически влияет на некоторые размеры изготовляемых деталей изменение размеров и геометрии режущих инструментов в результате переточек и др. Причины этого рода не случайны, их принято называть систематическими.

Однако и после устранения такого рода причин изменчивость размеров изделий никогда полностью не исчезает, что обусловлено действием второго рода многочисленных случайных причин. К ним относятся:

1) погрешности оборудования — неточности кинематической цепи станка, его шкал, лимбов и т. д.; деформации деталей станка; колебания и вибрации из-за недостаточной жесткости станка или фундамента, неполной уравновешенности вращающихся масс, толчков в передачах и т. п.; ненормальные зазоры между деталями станка и изменение силы трения между ними; износ направляю­щих; неправильности в подаче смазки, охлаждающей жидкости и др.;

2) колебания режимов работы — изменения скоростей резания и подачи, вращения рабочих приводов станка; изменения усилия резания из-за разных причин; нагрев инструмента и обрабатывае­мой детали, изменения температуры помещения и т. д.;

3) погрешности инструмента — износ и недостаточная жест­кость режущего инструмента; затупление режущей грани; пригар; неоднородность материала режущего инструмента; неправильность формы фасонного инструмента; износ и недостаточная жесткость измерительного инструмента и прочее;

4) недостатки рабочего приспособления — неправильности оправок, цанг и т. д.; недостаточная жесткость приспособления, которая приводит к деформации деталей под влиянием усилия реза­ния; нестабильность установки детали и т. п.;

5) неоднородность материала изделия — колебания в хими­ческом составе, колебания механических свойств, шлаковые вклю­чения, внутренние трещины, внутренние напряжения и т. д.; часть этих свойств влияет на колебания режима обработки изделия, часть — вызывает непосредственное изменение размеров или фор­мы изделия;

6) ошибки рабочего: при настройке станка и установке инстру­мента, при установке и закреплении детали, при снятии пробной стружки, при регулировке режима работы станка и подачи охла­ждающей смеси, при заточке инструмента и т. д.;

7) погрешности измерительных приборов — зазоры в подвижных соединениях цепи передачи приборов, изменение характеристики сил трения в измерительных цепях, погрешности аттестации образцовых деталей, по которым настраиваются измерительные приборы, случайное изменение параметров электрической цепи, погрешности отсчетов по шкалам, случайные колебания температуры, субъективные ошибки при измерении и другие.

Действие этих случайных причин устранить невозможно. Они характеризуются следующим:

Число случайных факторов и параметров, вызванных ими частных погрешностей, не изменяются во времени.

Сам процесс контроля состоит из следующих этапов:

1. - измерение контролируемого параметра (размер, температура и т.п.);

2. - сравнение его с заданным значением;

3. - принятие решения о соответствии контролируемого параметра заданному и выработка необходимой команды;

4. -реализация решения (команды) с помощью соответствующего исполнительного органа.

В практике машиностроения контролю чаще всего подвергаются следующие параметры:

1. линейные и реже угловые размеры обрабатываемых деталей;

2. геометрические параметры деталей, такие как прямолинейность, перпендикулярность, соосность, конусность, огранка и т.п.;

3. качество обработанной поверхности – шероховатость, волнистость и т.п.;

4. физические свойства обрабатываемых деталей:

• механические – упругость, твердость, усталостная прочность;

• магнитные – магнитное сопротивление, магнитная проницаемость, коэрцитивная сила;

• электрические – электросопротивление (электропровод-ность);

• коррозионная стойкость;

и т.д.;

5. потребляемая мощность на технологический процесс;

6. параметры технологического процесса – усилия, давление, температура;

7. экономические показатели – производительность, чистое время работы машин, станков, оборудования.

.

Конструкция измерительного устройства в значительной степени зависит от применяемого метода измерения при контроле. Классификация методов контроля приводится в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Контактные измерительные устройства осуществляют измерение при непосредственном контакте с контролируемым объектом. Для измерения размеров они достаточно просты по конструкции и позволяют получить сравнительно большой выходной сигнал. Однако они в значительной степени подвержены износу, из-за которого могут потерять точность измерения. К числу контактных измерительных устройств для измерения размеров относятся различные рычажные системы с преобразователями.

Бесконтактные измерительные устройства позволяют осуществлять измерения без контакта с исследуемым объектом, вследствие чего они не изнашиваются и длительное время сохраняют начальную точность. Однако, такие устройства сложнее, дороже и, из-за наличия промежуточной среды, могут оказаться менее точными. В таких измерительных устройствах используются фотоэлектрические, индуктивные, лазерные, радиоактивные, пневматические и т.п. преобразователи.

Процесс измерения контролируемого параметра может быть осуществлен по-разному. Можно измерять его абсолютную (суммарную) величину и тогда отсчет необходимо производить относительно некоторой постоянной жестко фиксированной базы. При значительных величинах и требуемой высокой точности измерения этот способ становится трудоемким, поскольку необходимо с высокой точностью совмещать либо начало шкалы с исходным параметром контролируемой величины, либо исходный параметр с началом шкалы измерения. При автоматизации процесса измерения это становится затруднительно, т.к. объект измерения и измерительная система могут иметь разные базы. Тогда оказывается целесообразным использование дифференциального метода измерения, при котором измеряются отклонения от исходных начального и конечного параметров и абсолютная величина определяется как разность этих отклонений от заданного эталона (действительного или мнимого).

В зависимости от способа работы чувствительного элемента преобразователя (датчика) измерительной системы можно выделить три метода измерения: масштабный, компенсационный и предельный.

При масштабном методе измерения чувствительный элемент должен производить в некотором масштабе измерение контролируемого параметра (т.е. выходной сигнал пропорционален измеряемому параметру).

При компенсационном методе измерения производится сравнение измеряемого параметра с эталонным и чувствительный элемент датчика должен зафиксировать равенство их величин. Таким образом, чувствительный элемент представляет собой «нуль-орган». Конструкция такого чувствительного элемента проще и может быть достигнута высокая чувствительность, что позволяет получить весьма высокую точность измерения, поскольку исключаются погрешности измерения.

Наконец, при осуществлении технического контроля, в ряде случаев нет необходимости знать действительные значения измеряемого параметра, а важно фиксировать определенные значения или границы изменения этого параметра. В этом случае может быть использован предельный метод измерения, при котором преобразователь или чувствительный элемент измерительного устройства генерирует выходной сигнал при достижении измеряемым параметром заданной величины.

Иногда измерительные устройства не совсем верно называют контрольными устройствами или контрольными приспособлениями. Скорее это устройство для контроля, поскольку по результатам измерения должно быть принято решение и действие. Таким образом, нельзя отождествлять часть с целым. Например, калибр для измерения диаметра является измерительным устройством, показывающим лежит ли измеряемый диаметр в пределах допуска или нет, а уже отсюда решение: годен или не годен и что делать дальше.

Разумеется, что любое измерительное устройство связано с контролем, ибо в противном случае отпадает смысл в измерении. Действительно, измеряя диаметр валиков, определяют, пригодны ли они для сопряжения и принимают решение о дальнейших действиях (контроль). Измерять микрометром диаметр гвоздей, чтобы затем забить их в стену и повесить шапку, навряд-ли кому-нибудь придет в голову.

Автоматические измерительные устройства позволяют значительно упростить процесс контроля и являются элементами его автоматизации. Поскольку они находятся на стыке изделие – система и должны осуществлять довольно трудоемкий процесс измерения, то успешное решение автоматизации измерения является залогом успешной работы всей системы контроля.

Автоматические измерительные устройства могут использовать прямые методы измерения или косвенные.

При прямом методе контроля измеряется непосредственно контролируемый параметр, например, диаметр изделия или его твердость.

При косвенном методе измеряется сопутствующая величина, связанная с контролируемым параметром и по ней судят о самой контролируемой величине. Так при обработке валика могут измерять положение инструмента и по нему судить о диаметре изделия, или измерять магнитную проницаемость стальной детали и по ней судить о твердости после закалки. Косвенные методы измерения по своей природе менее точны, но позволяют вести измерения в трудных условиях, в ряде случаев проще осуществляются, а иногда являются единственно возможными.

Наконец по месту осуществления методы измерения могут быть совмещенными и вынесенными. При совмещенных методах измерение осуществляется во время других этапов производственного процесса, например с обработкой или транспортировкой. При использовании вынесенных методов организуется специальная измерительная позиция, где производится измерение заданных параметров. Для вынесенных методов значительно легче достичь высокой точности измерения, поскольку на такой позиция могут быть созданы специальные условия, обеспечивающие исключение помех.