3. АВТОМАТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ

← К оглавлению

1 2 3 4 5 6

Технологические процессы производства современных машин,

работающих в условиях возрастающих нагрузок и скоростей, все более

усложняются.

Увеличение производства одноименных изделий, а также по-

вышение требований к стабильности качества изделий требует меха-

низации и автоматизации процессов контроля. Операции контроля

качества обрабатываемых изделий занимают значительное место в

цепи технологического процесса. В некоторых видах производства

операции контроля занимают от 25 до 50 % времени всего технологи-

ческого цикла (в подшипниковой промышленности трудоемкость конт-

рольных операций составляет 25–30 % от общей трудоемкости). По

мере механизации и автоматизации основных операций в металлооб-

работке контрольные операции становятся наиболее трудоемкими по

удельному весу.

Таким образом, контроль становится узким местом, задержи-

вающим дальнейший рост производительности труда. Кроме того,

ручной контроль, помимо низкой производительности, обладает еще и

рядом других недостатков. Поэтому необходимым условием дальней-

шего повышения качества производимых изделий и повышения произ-

водительности труда в машиностроении является усовершенствование

существующих и разработка новых методов и средств технического

контроля изготовляемых изделий.

Имеющийся опыт автоматизации контрольных операций, в част-

ности, опыт применения средств активного контроля и контрольно-

сортировочных автоматов, убедительно свидетельствует о значитель-

ном повышении качества изделий и производительности труда. Без

автоматизации контроля нельзя создать автоматических линий, цехов

и заводов, работающих полностью по автоматическому циклу.

3.1. Источники и характеристики

производственных погрешностей

Опыт производства любой промышленной продукции показы-

вает, что получить детали, совершенно одинаковые по размерам, не-

возможно. 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 по-

грешности.

147Погрешности размеров могут возникать как при обработке,

так и при контроле деталей. Те и другие погрешности имеют в основ-

ном 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 токарно-

го резца или шлифовального круга будет вызывать систематическое

увеличение, при неизменных прочих условиях, диаметра обрабаты-

ваемых деталей, износ развертки – уменьшение диаметра отверстий.

Также односторонне и систематически влияет на некоторые размеры

изготовляемых деталей изменение размеров и геометрии режущих ин-

струментов в результате переточек и др. Причины этого рода не слу-

чайны, 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; ко-

лебания и вибрации из-за недостаточной жесткости станка или фунда-

мента, неполной уравновешенности вращающихся масс, толчков в пе-

редачах и т. п.; повышенные зазоры между деталями станка и измене-

ние 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 реза-

ния из-за разных причин; нагрев инструмента и обрабатываемой дета-

ли, изменения температуры помещения и т. д.;

3) погрешности инструмента – износ и недостаточная жест-

кость режущего инструмента; затупление режущей грани; пригар; не-

однородность материала режущего инструмента; неправильность фор-

мы фасонного инструмента; износ и недостаточная жесткость измери-

тельного инструмента и прочее;

4) недостатки рабочего приспособления – неправильности оп-

равок, цанг и т. д.; недостаточная жесткость приспособления, которая

приводит к деформации деталей под влиянием усилия резания; неста-

бильность установки детали и т. п.;

5) неоднородность материала изделия – колебания в химичес-

ком составе, колебания механических свойств, шлаковые включения,

внутренние трещины, внутренние напряжения и т. д.; часть этих

свойств влияет на колебания режима обработки изделия, часть – вызы-

вает непосредственное изменение размеров или формы изделия;

1486) ошибки рабочего: при настройке станка и установке инстру-

мента, при установке и закреплении детали, при снятии пробной

стружки, при регулировке режима работы станка и подачи охлаждаю-

щей смеси, при заточке инструмента и т. д.;

7) погрешности измерительных приборов – зазоры в подвиж-

ных соединениях цепи передачи приборов, изменение характеристики

сил трения в измерительных цепях, погрешности аттестации образцо-

вых деталей, по которым настраиваются измерительные приборы, слу-

чайное изменение параметров электрической цепи, погрешности от-

счетов по шкалам, случайные колебания температуры, субъективные

ошибки при измерении и другие.

Действие этих случайных причин устранить невозможно. Они

характеризуются следующим.

1. Число случайных факторов и параметров, вызванных ими

частных погрешностей, не изменяются во времени.

2. Все случайные факторы по своему влиянию на общую по-

грешность одного порядка, т. е. среди них нет доминирующих. Это

условие наблюдается, если неточности оборудования и приспособле-

ний, ошибки рабочего, колебания режима работы (нагрева, усилий

резания), ошибки и износ инструмента, неоднородность материала

деталей, ошибки измерения не имеют резких отступлений от установ-

ленных для них норм; иными словами, если технологический процесс

протекает нормально.

3. Все случайные факторы взаимно независимы. Это условие

обычно имеет место при автоматически работающем оборудовании и

вообще в тех случаях, когда рабочий не имеет возможности (или необ-

ходимости) влиять на работу оборудования во время самого процесса

изготовления детали.

Общая погрешность является суммой частных погрешностей,

вызванных действием значительного числа случайных и некоторого чис-

ла (необязательно значительного) систематических первичных факторов.

Число систематических факторов и значения, вызванных ими

частных погрешностей, можно считать одинаковыми для всех экземп-

ляров детали. Например, при рассмотрении рассеяния погрешностей

одной производственной партии, выполненной на одном станке, при

одной настройке, одним инструментом и т. п.

Следует иметь в виду, что определение систематических по-

грешностей, как постоянных по величине и знаку или изменяющихся

по определенному закону, весьма условно. Величина и закон измене-

ния систематических погрешностей, очевидно, изменяются или вслед-

ствие конечного числа испытаний, или в результате износа отдельных

элементов измерительных и технологических систем, или под влияни-

ем изменения каких-либо других условий.

149Таким образом, и систематические погрешности носят в ка-

кой-то мере случайный характер, поэтому наши сведения о них могут

быть недостаточно полны и достоверны. Однако о систематических

погрешностях мы знаем гораздо больше, чем о случайных. Если нельзя

заранее предугадать величину или знак случайной погрешности, то

всегда можно заранее оценить не только знак или тенденцию развития

систематической ошибки, но и ее величину, хотя и не совсем точно.

Именно поэтому систематические погрешности сравнительно легко

поддаются компенсации.

Характерным свойством систематических погрешностей явля-

ется их примерная повторяемость, что позволяет рассматривать их как

закономерные. Вместе с тем полная повторяемость систематических

погрешностей является практически недостижимой.

Многочисленные наблюдения рассеяния величин в самых раз-

личных случаях показывают, что если отклонения размера Х от того

значения, которое стремятся получить, обусловлены влиянием боль-

шого количества независимых между собой случайных причин, при-

чем каждая из них в отдельности оказывает лишь незначительное

влияние, то эти отклонения подчиняются всегда одной и той же зако-

номерности – закону ошибок Га-

усса. В таких случаях закон рас-

пределения размеров носит на-

звание закона Гаусса или нор-

мального. Это распределение,

показанное на рис. 3.1, имеет

более плотное сосредоточение

отклонений около их центра

группирования (М) и постепенное

систематическое уменьшение ко-

личества отклонений по мере

увеличения их удаления в обе стороны от центра группирования.

Uв

Рис. 3.1 – Закон нормального

распределения в пределах допуска

Математическое выражение кривая распределения по закону

Гаусса находит в следующих формулах:

−

πσ

= (1)

()

t l

−

Φ=

σπ ∫ dt , (2)

150где – ордината кривой распределения или частости кривой

Гаусса, измеренная в величинах 1/σ; е – основание натурального лога-

рифма;

( ) і

t Φ – суммарная теоретическая вероятность значений от М

до ti (площадь под кривой Гаусса в интервале от М до ti;

−

Μ –

отклонение от центра группирования, т. е. номинального размера, при

σ = 1; σ – среднее квадратическое отклонение.

Установлено, что пределы практического рассеивания состав-

ляют ± 3σ относительно центра группирования, а за этими пределами

будет находиться всего 0,27 % всей площади, ограниченной кривой с

границами ± ∞, т. е. вероятность того, что полученные размеры будут

выходить за указанные пределы, очень мала.

Детали с размерами, колеблющимися в пределах ± 2σ, состав-

ляют 95,45 %, а в пределах ± σ – 68,27 %. Таким образом, наиболее

велика вероятность получения деталей с размерами, близко располо-

женными к нормальному, среднеарифметическому их значению.

3.2. Задачи технического контроля

В производственной практике, особенно при изготовлении

точных сопряжений, приходится сталкиваться со случаями, когда до-

пуск на изготовление детали близок или даже меньше, чем величина

поля мгновенного рассеивания, т. е. σ ≤ δ 6 . Тогда, если все возмож-

ности повышения точности обработки (уменьшения σ) уже исчерпаны,

в массовом или крупносерийном производстве применяют автомати-

ческий контроль с рассортировкой деталей после обработки для селек-

тивной сборки.

Таким образом возникает задача технического контроля изго-

тавливаемых деталей и изделий. Технический контроль – это то звено

технологического процесса, которое позволяет оценить качество тех-

нологического процесса, увидеть, если можно так сказать, результаты

работы и произвести необходимую коррекцию с целью получения же-

лаемого результата.

Основное значение английского слова control – управление. В

данном случае имеется в виду не управление вообще, а управление

или регулирование по результатам измерения. При этом управление

(команда на определенную реакцию) может идти назад, т. е. исправле-

ние параметров технологического процесса по обработке поступаю-

щей последующей продукции (рис. 3.2, а). Здесь заготовка (Заг.) по-

ступает в зону обработки (рабочую зону – Р.З.), где производится об-

151работка и после обработки готовая деталь поступает в зону контроля

(З.К.). Теперь производятся измерения и на их основании принимается

решение о необходимой коррекции технологического процесса. Сфор-

мированная команда управления (К.У.) подается на управляющие ор-

ганы рабочей зоны. Управление может осуществляться во время обра-

ботки, т. е. осуществляемым технологическим процессом. Это будет

управление на себя, что иллюстрируется рис. 3.2, б (обозначения те

же). Управление может осуществляться вперед (рис. 3.2, в), когда заго-

товка измеряется до обработки и по результатам измерения формиру-

ется команда управления, предусматривающая выбор соответствую-

щих параметров последующего процесса.

Рис. 3.2 – Схемы подачи команды управления

а) б) в)

Задача технического контроля – обеспечение высокого качест-

ва выпускаемой продукции, постоянное поддержание работоспособно-

сти оборудования и получение высокой эффективности (производи-

тельности) обработки за счет осуществления обратной связи.

Очевидно, наиболее эффективной является подача команды

управления “на себя”, когда коррекция технологического процесса

осуществляется непосредственно во время обработки. Однако, далеко

не всегда по условиям работы рабочая зона и зона контроля совмести-

мы. Тогда приходится зону контроля выносить из зоны обработки и

подавать управляющее воздействие вперед или назад. В случае подачи

воздействия назад (рис. 3.2, а) на обработанную деталь воздействовать

уже нельзя и возможен выход брака. Теперь управление будет произ-

водиться для последующей детали. В случае подачи управляющего

воздействия вперед предусматривается корректировка процесса до

обработки, но здесь трудно предусмотреть возможные реальные изме-

нения процесса под действием внешних возмущений.

Сам процесс контроля состоит из следующих этапов:

1 – измерение контролируемого параметра (размер, темпера-

тура и т.п.);

2 – сравнение его с заданным значением;

3 – принятие решения о соответствии контролируемого пара-

метра заданному и выработка необходимой команды;

1524 – реализация решения (команды) с помощью соответствую-

щего исполнительного органа.

В практике машиностроения контролю чаще всего подверга-

ются следующие параметры:

1) линейные и реже угловые размеры обрабатываемых деталей;

2) геометрические параметры деталей, такие как прямолиней-

ность, перпендикулярность, соосность, конусность, огранка и т. п.;

3) качество обработанной поверхности – шероховатость, вол-

нистость и т. п.;

4) физические свойства обрабатываемых деталей:

− механические – упругость, твердость, усталостная прочность;

− магнитные – магнитное сопротивление, магнитная прони-

цаемость, коэрцитивная сила;

− электрические – электросопротивление (электропроводность);

− 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.

Разработка новых высокопроизводительных методов и все

шире внедряющаяся автоматизация технологических процессов обра-

ботки деталей машин привели к существенному снижению трудоемко-

сти их изготовления. Производительность процессов контроля пока

растет медленнее. Увеличивается количество контролеров. Контроль

становится фактором, сдерживающим рост производительности труда

на машиностроительных заводах.

Повышение требований к качеству продукции, точности изго-

товления деталей машин вызывает необходимость повышения точно-

сти их измерений (контроля). Следовательно, задача роста производи-

тельности труда и качества продукции в машиностроении неразрывно

связаны с повышением производительности и точности процессов

контроля. Решение этих задач возможно лишь путем автоматизации

контроля.

В устройствах автоматического контроля процесс получения и

обработки информации об объекте контроля автоматизирован, т. е.

совершается по заданной программе без участия человека. Результаты

контроля используются для приведения в действие исполнительных

органов автоматических систем. Внедрение автоматического контроля

наряду с повышением производительности и сокращением количества

контролеров приводит к устранению субъективных погрешностей, что

повышает объективность, точность контроля и качество продукции.

153Контроль является неотъемлемой и важной частью технологи-

ческого процесса. Основное назначение технического контроля во всех

его разновидностях – следить за ходом технологического процесса,

регулируя качество продукции. Контроль выявляет нарушения нор-

мального хода процесса, проявляющиеся в выходе контролируемых

параметров объектов контроля за установленные границы. На основе

информации, полученной по результатам контроля, производится под-

наладка, т. е. регулируется ход процесса.

Контроль параметров технологических процессов, обработан-

ных деталей и изделий, запыленности и загазованности атмосферы

цеха является неотъемлемой частью современного производства. Оче-

видно, что в любом автоматизированном производстве контроль также

должен быть автоматизирован.

Автоматизация технического контроля является существен-

ным этапом автоматизации промышленности. Удельный вес техниче-

ского контроля в современных производствах весьма значителен: в

авто- и тракторостроении, в авиационном моторостроении и других

отраслях массового производства машин около 40 % производствен-

ных операций приходится на контрольные операции. Естественно, что

это требует многочисленного персонала, большого парка измеритель-

ных приборов и значительных расходов на организацию контрольного

хозяйства.

В настоящее время уже разработан ряд принципов автомати-

ческого контроля размеров, упругих свойств и термообработки, появи-

лись разнообразные конструкции автоматических контрольных уст-

ройств, опубликовано значительное количество работ, посвященных

отдельным вопросам автоматического контроля.

Проблема автоматизации контроля представляет значительные

трудности. Создание высокопроизводительных, стабильных и надеж-

ных автоматических устройств – сложная техническая задача.

Степень автоматизации операций контроля может быть раз-

личной в зависимости от того, какие этапы и в каком объеме автомати-

зированы.

Начальным звеном во всем контрольном органе является уст-

ройство измерения контролируемого параметра, т. е. измерительное

устройство. Это устройство формирует входную информацию для

контролирующей системы, и от правильности и четкости работы этого

устройства будет зависеть работоспособность всей системы. Вместе с

тем, измерительное устройство работает в самых тяжелых условиях,

поскольку ему приходится взаимодействовать с внешними воздейст-

виями и, в зависимости от приспособленности к внешнему окруже-

нию, будет определяться работоспособность устройства.

154Конструкция измерительного устройства в значительной сте-

пени зависит от применяемого метода измерения при контроле. Клас-

сификация методов контроля приводится в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Метод измерения Разновидность контроля

По взаимодействию с объектом Контактные;

бесконтактные

По способу измерения Абсолютные;

дифференциальные

По режиму работы преобразователя Масштабные;

компенсационные;

предельные

По измеряемому параметру Прямые;

косвенные

По месту осуществления Совмещенные;

вынесенные

Контактные измерительные устройства осуществляют измере-

ние при непосредственном контакте с контролируемым объектом. Для

измерения размеров они достаточно просты по конструкции и позво-

ляют получить сравнительно большой выходной сигнал. Однако они в

значительной степени подвержены износу, из-за которого могут поте-

рять точность измерения. К числу контактных измерительных уст-

ройств для измерения размеров относятся различные рычажные систе-

мы с преобразователями.

Бесконтактные измерительные устройства позволяют осуще-

ствлять 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 изме-

рительных устройствах используются фотоэлектрические, индуктив-

ные, лазерные, радиоактивные, пневматические и т. п. преобразователи.

Процесс измерения контролируемого параметра может быть

осуществлен по-разному. Можно измерять его абсолютную (суммар-

ную) величину и тогда отсчет необходимо производить относительно

некоторой постоянной жестко фиксированной базы. При значительных

величинах и требуемой высокой точности измерения этот способ ста-

новится трудоемким, поскольку необходимо с высокой точностью сов-

мещать либо начало шкалы с исходным параметром контролируемой

величины, либо исходный параметр с началом шкалы измерения. При

автоматизации процесса измерения это становится затруднительно,

155т. к. объект измерения и измерительная система могут иметь разные

базы. Тогда оказывается целесообразным использование дифференци-

ального метода измерения, при котором измеряются отклонения от

исходных начального и конечного параметров и абсолютная величина

определяется как разность этих отклонений от заданного эталона (дей-

ствительного 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 контролируе-

мого параметра (т. е. выходной сигнал пропорционален измеряемому

параметру).

При компенсационном методе измерения производится срав-

нение измеряемого параметра с эталонным и чувствительный элемент

датчика должен зафиксировать равенство их величин. Таким образом,

чувствительный элемент представляет собой “нуль-орган”. Конструк-

ция 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 измеряе-

мого параметра, а важно фиксировать определенные значения или гра-

ницы изменения этого параметра. В этом случае может быть использо-

ван предельный метод измерения, при котором преобразователь или

чувствительный элемент измерительного устройства генерирует вы-

ходной сигнал при достижении измеряемым параметром заданной ве-

личины.

Иногда измерительные устройства не совсем верно называют

контрольными устройствами или контрольными приспособлениями.

Скорее это устройство для контроля, поскольку по результатам изме-

рения должно быть принято решение и действие. Таким образом, нель-

зя отождествлять часть с целым. Например, калибр для измерения

диаметра является измерительным устройством, показывающим, ле-

жит 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. Дей-

ствительно, измеряя диаметр валиков, определяют, пригодны ли они

для сопряжения и принимают решение о дальнейших действиях (конт-

роль). Измерять микрометром диаметр гвоздей, чтобы затем забить их

в стену и повесить шапку, навряд ли кому-нибудь придет в голову.

156Автоматические измерительные устройства позволяют значи-

тельно упростить процесс контроля и являются элементами его авто-

матизации. Поскольку они находятся на стыке “изделие – система” и

должны осуществлять довольно трудоемкий процесс измерения, то

успешное решение автоматизации измерения является залогом успеш-

ной работы всей системы контроля.

Автоматические измерительные устройства могут использо-

вать прямые методы измерения или косвенные.

При прямом методе контроля измеряется непосредственно

контролируемый параметр, например, диаметр изделия или его твер-

дость.

При косвенном методе измеряется сопутствующая величина,

связанная с контролируемым параметром, и по ней судят о самой конт-

ролируемой величине. Так при обработке валика могут измерять по-

ложение инструмента и по нему судить о диаметре изделия, или изме-

рять магнитную проницаемость стальной детали и по ней судить о

твердости после закалки. Косвенные методы измерения по своей при-

роде 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 из-

мерение осуществляется во время других этапов производственного

процесса, например с обработкой или транспортировкой. При исполь-

зовании вынесенных методов организуется специальная измеритель-

ная позиция, где производится измерение заданных параметров. Для

вынесенных методов значительно легче достичь высокой точности

измерения, поскольку на такой позиция могут быть созданы специаль-

ные условия, обеспечивающие исключение помех.

3.3. Датчики

Как уже отмечалось, первым этапом контроля является изме-

рение контролируемого параметра, т. е. получение информации. Пер-

вым элементом, установленным в технологическом оборудовании и

воспринимающим контролируемый параметр, является датчик. Он

преобразует измеряемые физические величины в сигналы, удобные

для дальнейшей передачи в измерительные или управляющие устрой-

ства. Измеряемыми параметрами при осуществлении контроля явля-

ются геометрические размеры, перемещения, скорость, температура,

усилия, давление, вибрации, расход, уровень, загазованность, запы-

ленность и др.

157К числу основных признаков, позволяющих классифицировать первичные преобразователи,

относятся принцип действия и вид входного и выходного сигналов (рис. 3.3).

Датчики

Параметрические Генераторные

По принципу действия

По виду входного сигнала

Температуры

Давления

Разряжения

Уровня

Состава

Влажности

Плотности

Перемещения

Скорости

Ускорения

и другие

Изменения

сопротивления

Изменения

других сигналов

Изменения

индуктивности

Изменения

емкости

По виду выходного сигнала

Рис. 3.3 – Классификация датчиков

В зависимости от принципа действия первичные преобразователи можно разделить на две группы:

параметрические и генераторные.

Параметрические преобразователи преобразуют контролируемую величину в один из параметров

электрической цепи: проводимость (сопротивление), индуктивность, емкость. Следовательно, для их работы

необходимо подводить от внешнего источника электрическую энергию. К параметрическим относят

следующие типы преобразователей: потенциометрические, индуктивные, емкостные, тензометрические и

др.

В генераторных преобразователях непосредственно преобразуется неэлектрическая энергия

входного сигнала в электрическую энергию, значение которой пропорционально значению

контролируемого параметра. К генераторным относятся термоэлектрические (термопары),

фотоэлектрические, пьезоэлектрические и тахометрические преобразователи. Они работают автономно, т. е.

не нуждаются в подводе внешней электроэнергии.

По виду входного сигнала первичные преобразователи делятся на следующие группы: температуры,

давления, разрежения, расхода, уровня, состава и влажности веществ, плотности, перемещения, скорости,

ускорения и т. д.

По виду выходного сигнала первичные преобразователи под-

разделяют на несколько групп. Одна группа преобразует контроли-

руемую величину в изменение активного сопротивления, другая – в

изменение емкости, третья – в изменение индуктивности и т. д.

Любой датчик состоит из отдельных частей. Основной частью

является чувствительный элемент, а средства защиты, вспомогатель-

ные преобразователи и крепления чувствительного элемента относятся

к вспомогательным элементам.

3.3.1. Потенциометрические датчики

Потенциометрический датчик представляет собой перемен-

ное электрическое сопротивление, величина выходного напряжения

которого зависит от положения токосъемного контакта.

Потенциометрические датчики предназначены для преобразо-

вания линейных и угловых перемещений в электрический сигнал, а

также для воспроизведения простейших функциональных зависимо-

стей в автоматических и вычислительных устройствах непрерывного

типа.

В потенциометрах непрерывной намотки переменным сопро-

тивлением служит намотанная на каркас в один ряд тонкая проволока,

по зачищенной поверхности которой скользит токосъемник. Сопро-

тивление таких потенциометров лежит в пределах от нескольких де-

сятков ом до десятков килоом. Таким образом, потенциометр непре-

рывной намотки состоит из каркаса, обмотки и токосъемника

(рис. 3.4).

Рис. 3.4 – Потенциометрические датчики

непрерывной намотки

159Каркас выполняется из материала, обладающего изоляцион-

ными свойствами, и имеет форму стержня, кольца или изогнутой по

дуге пластинки. В качестве изоляционного материала используют ге-

тинакс, текстолит, керамику или металл, покрытый непроводящим

слоем окисла. Обмотку изготавливают из эмалированной проволоки,

диаметр которой определяет точность потенциометра. Датчики высо-

кого класса точности наматываются проволокой диаметром 0,03…0,1 мм,

датчики низкого класса – 0,1…0,4 мм. В качестве обмоточного прово-

да применяют константан, манганин, фехраль и сплавы на основе бла-

городных металлов. Обмотка укладывается на каркас равномерно, по-

скольку это также влияет на точность работы датчика. Токосъемник

(щетка) выполняется из материала несколько мягче, чем материал об-

моточного провода, во избежание перетирания витков при длительной

работе. Движок имеет форму изогнутой упругой пластины для созда-

ния контактного давления, которое колеблется от 0,5 до 15 г.

В зависимости от характера движения ползунка потенциомет-

ры подразделяются на датчики линейного и углового перемещения.

Щетка датчика линейных перемещений совершает прямолинейное

поступательное движение, а щетка датчика углового перемещения –

круговое движение (см. рис. 3.4).

По конструкции реохорда (каркас с намотанной на нем прово-

локой) различают два типа потенциометрических преобразователей:

линейные и функциональные.

Линейные потенциометрические преобразователи имеют по-

стоянные сечение каркаса, диаметр проволоки и шаг намотки.

Напряжение питания и длина намотки являются постоянными

величинами, поэтому выходные напряжения прямо пропорциональны

значению перемещения подвижного контакта.

Функциональные потенциометрические преобразователи об-

ладают нелинейной характеристикой, что обеспечивается намоткой

проволоки на каркасы с переменным сечением. Такой преобразователь

представляет собой как бы несколько включенных последовательно

линейных преобразователей. Нелинейность характеристики может

быть достигнута также путем шунтирования резисторами отдельных

участков намотки линейных потенциометрических преобразователей.

Если у линейного потенциометрического преобразователя сделать от-

вод от середины обмотки, то он будет характеризовать наряду со зна-

чением перемещения движка и его направление.

Потенциометрические преобразователи могут включаться по

схеме реостата (рис. 3.5, а и б) или потенциометра (рис. 3.5, в) (дели-

теля напряжения). В зависимости от схемы включения перемещение

160подвижного контакта преобразуется в изменение тока (при последова-

тельном соединении) или напряжения (при включении по схеме дели-

теля). Первая схема применяется довольно редко, так как она не обес-

печивает достаточной точности преобразования, на величину которой

оказывают влияние сопротивление соединительных проводов и пе-

реходного сопротивления между контактом и обмоткой реохорда.

1 2

а) б) в)

Рис. 3.5 – Потенциометрические преобразователи:

а – с угловым перемещением контакта; б – с линейным перемещением

контакта; в – включенный по схеме делителя напряжения

1 – токосъемник (щетка); 2 – активный слой (обмотка)

Потенциометрические преобразователи выполняют с 20 или

100-процентной зоной пропорциональности. Последние получили

большее распространение, так как они охватывают всю шкалу измери-

тельного прибора.

К преимуществам потенциометрических датчиков можно от-

нести:

1) простоту конструкции, малые габариты и вес; 2) возмож-

ность получения линейных статических характеристик с высокой точ-

ностью; 3) стабильность характеристик; 4) возможность работы на пе-

ременном и постоянном токе.

Недостатками этих датчиков следует считать:

1) наличие скользящего контакта, который может стать при-

чиной отказов вследствие окисления контактной дорожки, перетира-

ния витков или отгибания ползунка; 2) погрешность в работе за счет

нагрузки; 3) сравнительно небольшой коэффициент преобразования и

высокий порог чувствительности; 4) наличие шумов; 5) подвержен-

ность электроэррозии под действием импульсных разрядов.

Из сопоставления видно, что с течением времени следует

ожидать постепенную замену потенциометрических датчиков более

совершенными бесконтактными датчиками.

1613.3.2. Индуктивные датчики

Индуктивные датчики применяют для преобразования малых

линейных или угловых перемещений в электрические сигналы. Прин-

цип их действия основан на зависимости индуктивного сопротивления

катушки от изменения зазора в магнитопроводе, от перемещения маг-

нитопровода в катушке или от изменения площади зазора.

Индуктивный преобразователь датчика с подвижным якорем

(изменяющимся зазором) представляет собой катушку индуктивности

3 с магнитопроводом 2 и подвижным якорем 1 (рис. 3.6, а). Катушка

индуктивности с магнитопроводом, называемая статором, закрепляет-

ся неподвижно, а якорь механически соединяется с подвижной частью

системы измерения, перемещение которой необходимо преобразовать

в электрический сигнал. Перемещение якоря изменяет воздушный за-

зор δ (входная величина преобразователя), вызывает изменение индук-

тивного сопротивления катушки и, как следствие этого, выходной ве-

личины тока I при постоянном напряжении U . 0

Рис. 3.6 – Индуктивные датчики:

а – с подвижным якорем; б – с перемещающимся сердечником;

в – с изменяющейся площадью зазора; г – дифференциальный

а) б) в) г)

Чувствительность индуктивных преобразователей с изменяю-

щимся воздушным зазором уменьшается с увеличением зазора δ, по-

этому их используют для измерения и контроля очень малых переме-

щений (до 2 мм). В таком диапазоне рабочих перемещений их чувст-

вительность не превышает 2 мкм.

Индуктивные преобразователи с перемещающимся магнито-

проводом (рис. 3.6, б) способны измерять большие перемещения (до 50 мм).

162У индуктивных преобразователей с изменяющейся площадью

воздушного зазора (рис. 3.6, в) статическая характеристика линейна

только на определенном участке. Линейность нарушается, когда ак-

тивное сопротивление становится сравнимым с индуктивным. Диапа-

зоны перемещения якоря больше (до 8 мм), чем у преобразователей с

изменяющимся воздушным зазором, однако чувствительность ниже.

Все перечисленные выше виды индуктивных преобразовате-

лей обладают высокой надежностью, имеют практически неограни-

ченный срок службы и большую мощность выходного сигнала (до нес-

кольких ватт). К недостаткам можно отнести нереверсивность статичес-

кой характеристики, небольшой диапазон перемещения якоря, наличие

тока холостого хода и влияние колебаний амплитуды и частоты на-

пряжения питания. Эти недостатки практически полностью отсутст-

вуют у дифференциальных индуктивных преобразователей.

Дифференциальный индуктивный преобразователь (рис. 3.6, г)

имеет два статора 2 с катушками индуктивности 3 и один подвижный

якорь 1. При отклонении якоря от среднего положения происходит

изменение индуктивного сопротивления обеих катушек и на выходе

преобразователя появляется напряжение Uн. Катушки индуктивности

включаются либо в дифференциальную измерительную схему, либо

работают как смежные плечи мостовой измерительной схемы.

Дифференциальные индуктивные преобразователи по сравне-

нию с ранее рассмотренными конструкциями обладают более высоки-

ми точностью и чувствительностью. Их статическая характеристика

линейна и реверсивна. Поэтому они получили наибольшее распро-

странение.

Трансформаторные преобразователи являются разновидно-

стью индуктивных. Они представляют собой трансформаторы с пере-

менным коэффициентом трансформации за счет изменения коэффици-

ента взаимоиндукции между обмотками. Трансформаторные преобра-

зователи применяют для преобразования небольших линейных и угло-

вых перемещений в электрический сигнал (напряжение переменного

тока).

Первичная обмотка 2 (рис. 3.7) дифференциального транс-

форматорного преобразователя с угловым перемещением якоря намо-

тана на центральном стержне 1 магнитопровода, а две совершенно

одинаковые вторичные обмотки 3 располагаются на крайних стерж-

нях. Они соединены последовательно и имеют встречную намотку.

При симметричном положении якоря 4 по отношению к стержню 1 во

вторичных обмотках будут индуцироваться одинаковые по значению и

противоположные по фазе ЭДС, а напряжение на выходе преобразова-

163теля будет равно нулю. При повороте якоря, механически связанного с

подвижной частью системы измерения, изменяется значение магнит-

ных потоков и в соответствии с этим значение ЭДС, т. е. на выходе

появляется напряжение, амплитуда которого равна разности амплитуд

ЭДС вторичных обмоток. Статическая характеристика рассмотренного

преобразователя линейна и реверсивна. Реверсивность означает изме-

нение в знаке выходного сигнала при изменении знака входного сиг-

нала. Чувствительность преобразователя в 2 раза выше чувствительнос-

ти обычных индуктивных преобразователей.

Интересна конструкция ферродинамического преобразователя,

предназначенного для преобразования угловых перемещений в элект-

рические сигналы.

Рис. 3.7 – Дифференциальный

трансформаторный

преобразователь

Рис. 3.8 – Ферродинамический

преобразователь

1 2 3

2 3

б)

Ферродинамический преобразователь (рис. 3.8) имеет магни-

топровод, состоящий из шихтованного ярма 1 с полюсными наконеч-

никами 2 и сердечника 3. На сердечнике 3 укреплены агатовые под-

пятники (на схеме не показаны), в которых на кернах установлена по-

воротная рамка 4, механически соединенная с подвижной частью сис-

темы измерения. Концы обмотки подвижной рамки подсоединяются с

помощью спиральных пружин и проводов. Принцип работы преобра-

зователя заключается в следующем. При подаче переменного тока на

обмотку возбуждения 5 в магнитопроводе возникает магнитный поток.

Если рамка 4 расположена по нейтрали ММ, то значение наведенной

ЭДС равно нулю. При повороте рамки на некоторый угол α в ней ин-

164дуцируется ЭДС, величина которой пропорциональна углу поворота.

Рабочий угол рамки от нейтрали составляет 40°. В зависимости от типа

преобразователя напряжение на выходе рамки изменяется от –1 до +1 В

или от 0 до 2 В.

Высокочастотные индуктивные преобразователи позволяют

измерить толщину фольги металлов, толщину гальванических покры-

тий, разностенность металлических труб и т. д. Принцип их действия

основан на изменении индуктивности обмотки при возникновении

вихревых токов в проводящем теле, расположенном вблизи этой об-

мотки.

В таких преобразователях используется так называемый по-

верхностный эффект, т. е. затухание вихревых токов по мере проник-

новения их вглубь проводящей среды, обусловленных переменным

магнитным полем; при этом разность токов возбуждающего поля и

поля вихревых токов уменьшается.

3.3.3. Емкостные датчики

Основу этих датчиков составляют емкостные преобразовате-

ли, которые преобразуют неэлектрические величины (перемещение,

уровень жидкости, влажность, усилие и т. д.) в изменение электриче-

ской емкости. Емкостной преобразователь является частью регули-

рующего или измерительного устройства с чувствительным элемен-

том, выполненного в виде конденсатора и реагирующего на изменение

измеряемого параметра технологического процесса. Чувствительный

элемент емкостного преобразователя представляет собой плоский или

цилиндрический конденсатор, у которого при воздействии измеряемо-

го параметра изменяется расстояние между пластинами, площадь пла-

стин или диэлектрическая проницаемость среды между обкладками.

Емкость конденсатора C возрастает с увеличением активной площади F

и диэлектрической проницаемости ξ (для воды ξ = 81; для воздуха ξ = 1;

для формовочной смеси ξ = 1 ... 4) и уменьшается с увеличением рас-

стояния между пластинами X, т. е. C = ξ ·ξ·F/X, где ξ 0 0 – диэлектриче-

ская проницаемость вакуума, Ф/м. Учитывая влияние перечисленных

факторов на размеры чувствительного элемента, различают три типа

емкостных преобразователей: с переменным расстоянием между пла-

стинами, с изменяемой площадью пластин и изменяемой ди-

электрической проницаемостью среды. Перечисленные параметры

емкостных преобразователей являются входными величинами, а вы-

ходной величиной будет емкость конденсатора.

165Емкостные преобразователи с переменным расстоянием

между пластинами (рис. 3.9, а) как правило конструктивно выпол-

няют в виде плоского конденсатора, состоящего из двух или более

пластин, одна из которых закреплена, а другая механически связана с

подвижной частью системы измерения. Емкостные преобразователи

этого типа применяют для измерения толщины изделий, а также ис-

пользуют для измерения давления, усилия или вибрации.

а)

в)

г)

б)

Рис. 3.9 – Емкостные преобразователи:

а – с переменным расстоянием между пластинами; б – с изменяемой

площадью, цилиндрический; в – с изменяемой площадью, плоский;

г – с изменением диэлектрической постоянной; δ – перемещение;

α – угол поворота пластин; h – высота уровня жидкости;

Н – высота пластин датчика

Емкостные преобразователи с изменяемой площадью плас-

тин выполняют как цилиндрическими (рис. 3.9, б), так и плоскими

(рис. 3.9, в).

Цилиндрический емкостной преобразователь (рис. 3.9, б)

представляет собой два цилиндра разного диаметра, помещаемые один

в другой. Емкость конденсатора зависит от осевого перемещения δ

внутреннего цилиндра. Преобразователи этого типа предназначаются

для измерения линейных перемещений.

В плоском преобразователе (рис. 3.9, в) емкость зависит от из-

менения активной площади пластин при повороте одной пластины

относительно другой. Такие преобразователи используют при измере-

нии угловых перемещений.

Емкостные преобразователи с изменением диэлектриче-

ской проницаемости среды между пластинами могут применяться,

например, для регулирования влажности формовочной смеси и дози-

166рования воды при ее приготовлении. При колебании уровня жидкости

изменяется емкость конденсатора (рис. 3.9, г), электродами которого

служат корпус 1 и металлический стержень 2. Емкость такого преобра-

зователя складывается из емкости цилиндрического конденсатора без

жидкости и параллельно включенной емкости цилиндрического кон-

денсатора с жидкостью. Емкость и чувствительность такого преобра-

зователя увеличиваются с уменьшением отношения диаметров элект-

родов, а также с ростом высоты цилиндра.

Емкостные преобразователи просты по устройству, обладают

достаточно высокой чувствительностью, малыми размерами и массой.

Однако они имеют три недостатка: мощность выходного сигнала мала,

поэтому необходимо применять усилитель; при промышленной часто-

те электрического тока практически невозможно получить достаточ-

ную мощность, в этой связи они получают питание от источника высо-

кой частоты (10 кГц и более); сильное влияние оказывают паразитиче-

ские емкости и посторонние электрические поля, поэтому требуется

тщательное экранирование как самих датчиков, так и соединительных

проводов.

3.3.4. Тензометрические датчики

Работа преобразователя тензометрического датчика (тензоре-

зистора) основана на изменении электрического сопротивления про-

водников при упругих деформациях растяжения или сжатия. Они при-

меняются для преобразования деформаций, усилий и напряжений в

электрический сигнал. В зависимости от конструкции и материала

чувствительного элемента тензорезисторы подразделяются на прово-

лочные, фольговые, полупроводниковые и тензолитовые.

Простейшим проволочным тензорезистором может служить

отрезок тонкой проволоки. При деформации детали одновременно бу-

дет деформироваться и наклеенная проволока. Изменение электросо-

противления ΔR проволоки при ее растяжении или сжатии связано с

относительной деформацией ε соотношением:

, R kR Δ =ε

где R – номинальное сопротивление проволоки, Ом; k – коэф-

фициент чувствительности.

Коэффициент чувствительности k зависит от вида материала и

технологии изготовления преобразователя; его значение определяют

экспериментально. Наибольшее распространение получили константан

и нихром, для которых k = 1,9…2,1.

167Размеры детали часто не позволяют закрепить на ней преоб-

разователь в виде прямолинейного отрезка проволоки большой длины.

Поэтому промышленность изготовляет тензометрические преобразо-

ватели в виде спирали (решетки) из нескольких петель проволоки

(рис. 3.10, а). Проволоку 1 наклеивают на подложку 2 из тонкой бума-

ги или лаковой пленки и сверху наклеивают такую же тонкую бумагу.

К проволоке приваривают (или припаивают) выводы 3, выполненные

из тонких полосок медной фольги. Недостатком данной конструкции

решетки является чувствительность преобразователя к поперечным

деформациям. Для устранения этого недостатка петли между рядами

заменяют медными перемычками 4 (рис. 3.10, б). Основными парамет-

рами решетки являются: длина l = 3 ... 75 мм, ширина а = 0,03 ... 10 мм

и радиус закругления r = 0,1 ... 0,3 мм.

Рис. 3.10 – Тензометрические преобразователи:

а – проволочные; б – с медными перемычками; в – фольговые

а) б) в)

а а а

Проволочные тензорезисторы просты по конструкции, имеют

малую массу и невысокую стоимость. Их статическая характеристика

линейна и реверсивна. К недостаткам проволочных тензорезисторов

относятся низкая чувствительность и одноразовость действия. Они

подвержены влиянию окружающей среды (температура и влага).

Фольговые тензорезисторы по принципу действия и основным

параметрам сходны с проволочными преобразователями и отличаются

только конструкцией решетки (рис. 3.10, в) и способом ее получения.

Для фольговых тензорезисторов применяется фольга толщиной 4 ... 12 мкм

из константана, нихрома, титан-алюминиевого или золото-серебряного

сплавов. Решетку фольговых тензодатчиков получают методом фото-

168литографии, который позволяет изготовлять преобразователи любой

конструкции (линейные, розеточные, мембранные и т. п.) с высокой

повторяемостью параметров. Фольговые тензорезисторы по сравне-

нию с проволочными имеют ряд преимуществ. Они более чувстви-

тельны и точны за счет лучшей передачи деформации от детали к

фольге, имеют хороший механический контакт с контролируемой де-

талью и позволяют пропускать через фольгу большой ток.

В настоящее время находят все большее применение полупро-

водниковые тензопреобразователи, изготовленные из полупроводни-

ковых материалов – кремния, германия, мышьяка, галлия и др.

В отличие от проволочных и фольговых преобразователей из-

менение сопротивления при деформации у полупроводниковых проис-

ходит благодаря изменению удельного сопротивления.

Основным преимуществом полупроводниковых преобразова-

телей является высокая чувствительность (почти в 100 раз выше, чем у

проволочных). Они имеют большой выходной сигнал, что позволяет в

некоторых случаях отказаться от применения усилителя. Однако у них

большой разброс параметров и низкая механическая прочность, т. е.

они хрупки.

3.3.5. Фотоэлектрические датчики

Принцип действия преобразователей фотоэлектрических дат-

чиков (фотоэлементов) основан на использовании фотоэлектрического

эффекта, т. е. они реагируют на изменение светового потока. Создание

фотоэлектрических преобразователей оказалось возможным, когда

были открыты материалы, электроны которых получают дополнитель-

ную энергию при воздействии световой энергии. Причем значение

дополнительной энергии может быть таково, что часть электронов

оказывается свободной.

В зависимости от поведения электронов, высвобождающихся

под действием светового потока, различают три группы фотоэлемен-

тов: с внешним и внутренним фотоэффектом и с запирающим слоем

(вентильные).

Фотоэлемент с внешним фотоэффектом (рис. 3.11, а) пред-

ставляет собой вакуумную двухэлектродную лампу. Катод 1 образован

светочувствительным слоем (цезий или сплав сурьмы с цезием) и на-

несен на внутреннюю поверхность лампы, а анод 2 выполняется в виде

кольца или пластины. Нередко в лампу вводят некоторое количество

нейтрального газа (аргона), который не окисляет поверхность металла,

но способен ионизироваться под ударами летящих электронов и уве-

личивать за счет своих ионов значение протекающего тока. Под дейст-

169вием световой энергии с поверхности выбиваются электроны, обра-

зующие электрический ток (внешний фотоэффект). Промышленность

выпускает фотоэлементы следующих типов: ЦГ – цезиевый газона-

полненный; СЦВ – сурьмяно-цезиевый, вакуумный; ЦВ – цезиевый,

вакуумный.

Рис. 3.11 – Фотоэлектрические преобразователи:

а – с внешним фотоэффектом; б – с внутренним фотоэффектом;

в – вентильные

а)

б)

в)

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом обладают высокой

чувствительностью и высокой температурной стабильностью. Для них

характерна линейная зависимость фототока от светового потока. К

числу недостатков рассмотренных фотоэлементов, которые ограничи-

вают их применение в автоматических системах управления, относят-

ся: необходимость в повышенном напряжении питания; хрупкость

стеклянного баллона; старение и утомляемость, т. е. снижение чувст-

вительности при сильной освещенности. Фотоэлементы с внутренним

фотоэффектом (фоторезисторы) чувствительнее элементов первого

типа, использующих фотоэффект со свободной поверхности металла.

170Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом не нуждаются во вспомо-

гательной энергии, и им может быть придана весьма разнообразная и

очень удобная форма. Недостатками их являются: подверженность

влиянию окружающей температуры, утомляемость и высокая инерци-

онность. Последнее ограничивает применение фотоэлементов с внут-

ренним фотоэффектом при частоте прерывания светового потока в

несколько десятков герц.

Фоторезисторы (рис. 3.11, б) представляют собой стеклянную

пластинку 1 с нанесенным тонким слоем селена или сернистых соеди-

нений различных металлов (таллия, висмута, кадмия, свинца). К плас-

тине прикреплены электроды 2, имеющие контакт с полупроводнико-

вым слоем. Размеры фоторезисторов очень невелики. При подаче к

электродам напряжения через фоторезистор будет протекать ток, зна-

чение которого пропорционально освещенности. Зависимость тока от

освещения имеет нелинейную величину. Однако чувствительность

фоторезисторов в сотни раз превышает чувствительность вакуумных

элементов, что позволяет их использовать в автоматических устройст-

вах без усилителей.

У вентильных преобразователей свободные электроны, изме-

няя свою энергию под действием светового потока, остаются в ве-

ществе. В промышленности получили наибольшее распространение

селеновые и меднозакисные фотоэлементы.

Селеновый фотоэлемент (рис. 3.11, в) имеет четыре рабочих

слоя. Первый слой образован тонкой пленкой золота 1, далее идут за-

пирающий слой 2, селеновый слой 3 и стальная подкладка 4. Запи-

рающий слой, обладая детекторным свойством, пропускает электроны,

выделившиеся из пленки золота, и препятствуют прохождению элект-

ронов противоположного направления. Таким образом, световой по-

ток, проходя через пленку золота, создает вентильный фотоэффект,

т. е. электроны из освещенного слоя переходят в неосвещенный. Это

приводит к возникновению разности потенциалов Uвых. Фотоэлектри-

ческие преобразователи просты по устройству и достаточно надежны в

работе, однако более инерционны.

3.4. Основные измерительные схемы

Рассмотренные различные типы датчиков производят преоб-

разование поступающей информации о состоянии или изменении

входного (измеряемого) параметра в выходную величину, т. е. выход-

ной сигнал. Как уже отмечалось, наиболее часто используются датчи-

ки, генерирующие электрические сигналы. И тогда измерение неэлек-

трических величин осуществляется электрическими методами, т. е. по

171электрическому сигналу (электрической величине) судят о состоянии

входного неэлектрического параметра.

Итак, любой датчик на основании поступающей или собирае-

мой информации о состоянии входного (измеряемого) параметра вы-

дает выходной сигнал, отображающий состояние входного параметра.

Однако, это преобразование осуществляется не в чистом виде, а про-

исходит поступление и преобразование дополнительной информации,

не нужной для данного измерения. Кроме того, при измерении и пре-

образовании входной информации возникают помехи, называемые

иногда “шумами”.

Например, при работе фотоэлектрического датчика на выход-

ной сигнал влияет не только изменение измеряемого светового потока,

но и температура преобразователя, зависящая от температуры окру-

жающей среды, спектра светового потока, изменяющихся свойств са-

мого преобразователя, называемых усталостью и т. п. При измерении

температуры человеческого тела нас интересует лишь узкий темпера-

турный диапазон, в связи с чем применяются специальные градусники,

а не те, которыми измеряется температура воды в ванной или темпера-

тура печи.

Таким образом, задача измерительной схемы, являющейся од-

ним из основных элементов для преобразования информации датчи-

ков, – выделение полезного сигнала, т. е. отделение его от помехи и

ненужной информации.

Схемы измерения можно разделить прежде всего на две боль-

шие группы:

1) непосредственного измерения;

2) сравнения.

Первые производят непосредственное измерение выходного

сигнала датчика. Блок-схема измерительной системы с такой схемой

измерения приведена на рис. 3.12, а. Здесь сигнал от датчика полно-

стью, после формирования, необходимого преобразования и усиления

для работы последующих элементов формирующим устройством ФУ,

подается на исполнительное устройство ИУ.

Такие системы обычно имеют дело с довольно широким диа-

пазоном изменения входного (измеряемого) параметра, когда точность

измерения не очень высока, а соотношение “сигнал/шум” достаточно

велико.

Более высокую точность работы можно достичь используя

схемы сравнения. Блок-схема такой системы представлена на рис. 3.12, б.

Здесь сигнал от датчика Д поступает на схему сравнения С.Ср, которая

производит сравнение поступившего сигнала с эталонным, форми-

172руемым калибровочным блоком БК. Теперь разностный сигнал пода-

ется на формирующее устройство ФУ и затем на исполнительное уст-

ройство.

Д ФУ ИУ

Д С.Ср ФУ ИУ

БК

Рис. 3.12 – Измерительные системы

а)

б)

Для получения более высокой чувствительности в узком диа-

пазоне измеряемого параметра и снижения влияния помех и исполь-

зуются схемы сравнения, основными из которых являются:

− мостовые схемы;

− дифференциальные схемы;

− компенсационные схемы.

3.4.1. Мостовые схемы

Эти схемы представляют собой схему, в одно из плеч которой

включается выходной преобразователь датчика. Они применимы, ко-

гда выходной преобразователь датчика представляет собой сопротив-

ление постоянному или перемен-

ному току, т.е. датчики сопротив-

ления (например тензорезистор

или фотосопротивление), емкост-

ные или индуктивные.

Принципиальная схема в этом

случае представляется рис. 3.13.

Здесь используются два делителя

напряжения: R1/R2 и R3/R4. В ка-

честве сопротивления R4 включа-

ется выходное сопротивление дат-

Рис. 3.13 – Мостовая схема

Uпит Uвых

173чика. Остальные сопротивления позволяют скомпенсировать напряже-

ния делителей таким образом, что разность потенциалов в точках a и b

в начальном положении равна нулю. При изменении входного пара-

метра сопротивление R4 изменяется, что приводит к разбалансу моста

и появлению выходного напряжения Uвых. Эти схемы могут работать

на постоянном или переменном токе. Мостовые схемы позволяют ком-

пенсировать начальный (исходный) ток и производить как бы смеще-

ние начала координат отсчета выходного напряжения.

Вместе с тем, во второе плечо может быть включен “застопо-

ренный” преобразователь, аналогичный преобразователю датчика, чем

до некоторой степени может быть компенсировано влияние внешней

помехи.

R1 R2 R1

Uвых

С1 С2

Рис. 3.14 – Варианты мостовых схем

При использовании емкостных или индуктивных датчиков

мостовые схемы должны питаться только переменным током, а для

выравнивания комплексных сопротивлений, т. е. для возможности ба-

лансировки моста второе плечо ветви моста должно иметь такое же

комплексное сопротивление. Варианты мостовых схем в этом случае

представляются рис. 3.14.

3.4.2. Дифференциальные схемы

Дифференциальные схемы представляют собой электричес-

кую цепь, состоящую их двух смежных контуров, в каждом из кото-

рых действует отдельная электродвижущаяся сила, а выходной сигнал

снимается с общей для обоих контуров ветви как разность контурных

токов или напряжений. Такие схемы могут использоваться для любых

типов датчиков, но должны содержать пару сопряженных выходных

преобразователей. Обычно чувствительность и помехоустойчивость

таких схем выше, чем мостовых. Принципиальные электрические схе-

мы в этом случае имеют вид, представленный на рис. 3.15.

174

ДК.Г.

Iг

Iд

Uпит

Uвых

a) b)

Рис. 3.15 – Дифференциальные схемы

)

Рис. 3.15 – Дифференциальные схемы

б)

Rн

На схеме (рис. 3.15, a) оба контура объединены гальваничес-

кой связью. Сигнал от датчика Д подается на сопротивление нагрузки Rн.

Сигнал от калибровочного генератора К.Г. тоже подается на нагрузоч-

ное сопротивление в противофазе. В начальном положении устанавли-

ваются токи І = І , тогда падение напряжения на R д г н и суммарный ток

через него равны нулю. Теперь при изменении входного параметра

будет изменяться сигнал датчика, что приведет к возникновению сиг-

нала на нагрузочном сопротивлении Rн.

На рис. 3.15, б приведена трансформаторная дифференциаль-

ная схема. Она состоит из двух трансформаторов с переменным коэф-

фициентом трансформации. Входные обмотки трансформаторов со-

единены последовательно, а выходные – встречно-параллельно. Под

действием входного параметра изменяется коэффициент трансформа-

ции одного или обоих трансформаторов. В начальном положении схе-

ма балансируется, т. е. выходные напряжения обоих трансформаторов

равны и противофазны. При изменении входного параметра происхо-

дит разбалансирование схемы и на выходе формируется выходной

сигнал.

Для дифференциальных схем, как и в предыдущем случае, по-

лезно в качестве балансирующего элемента (калибровочного генерато-

ра или балансного трансформатора) применять застопоренные датчи-

ки, т. е. конструктивно повторять датчики, регулируемые только в

процессе балансировки. Это значительно снижает влияние внешних

помех.

1753.4.3. Компенсационные схемы

Принцип компенсации заключается в том, что измеряемую

электродвижущую силу (или другой выходной сигнал датчика) урав-

новешивают равным и противоположным по знаку падением напряже-

ния (или соответствующего параметра), величина которого может

быть установлена с высокой степенью точности.

Рис. 3.16, а представляет компенсационную схему с датчиком

компенсации Д.К., который формирует сигнал, уравновешивающий

сигнал датчика, т. е. он формирует сигнал от ступенчато или плавно

изменяемого входного параметра, величина которого в каждый момент

точно известна. Сигналы от рабочего датчика Д и датчика компенса-

ции Д.К. подаются на схему сравнения и сформированный разностный

сигнал Δx(t) снимается с выхода схемы сравнения. В момент равенства

сигналов Δx(t) = 0 и считывается значение калиброванного параметра

компенсации, подаваемого на датчик Д.К.

Вместо изменения компенсирующего параметра может сразу

формироваться компенсирующий сигнал, как показано на схеме

рис. 3.16, б.

С.Ср. Д.К.

f(t)= -x(t)

Δx(t)

Uопорн

pкомп

pизм

а)

б)

в)

Рис. 3.16 – Компенсационные схемы

Компенсационная схема может применяться не только для

электрических цепей, но и для пневматических, гидравлических, меха-

нических. На рис. 3.16, в приведена компенсационная схема для пнев-

матической цепи. В рабочей камере изменяется измеряемое давление

pизм. В верхнюю камеру подается строго определенное давление (по-

176стоянное или переменное) и в момент равенства давлений в верхней и

измерительной камере контакты размыкаются и фиксируется давление

pкомп.

Предыдущие измерительные схемы сравнения для выполне-

ния самого процесса измерения требуют применения датчиков про-

порционального типа, тогда как компенсационные схемы позволяют

использовать предельные датчики, являющиеся более простыми, на-

дежными и позволяющими реализовать высокую чувствительность,

что значительно повышает точность измерения.

Как отмечалось выше, информация о входном параметре пос-

ле преобразования подается на исполнительное устройство (рис. 3.12),

которое показывает значение входного параметра и может выдавать

рекомендации по дальнейшему ведению технологического процесса.

Однако автоматизация предполагает исключить участие человека в

корректировке процесса, т. е. предполагается автоматическая проверка

получаемых результатов и, при необходимости, изменение факторов

самого процесса для автоматического получения высококачественной

продукции.

3.5. Автоматизация контрольных операций

В процессе общей автоматизации контроля автоматическое

контрольное устройство должно не только произвести измерение кон-

тролируемого параметра, но сравнить его с заданным, принять опреде-

ленное решение и выполнить его. Принципиальная блок-схема автома-

тического контрольного устройства представлена на рис. 3.17.

Объект

измерения

АИУ БП УС

РУ ИУ

Система сигнализации

Рис. 3.17 – Автом

атическое контрольное устройство

177Устройство состоит из следующих узлов. Автоматическое из-

мерительное устройство АИУ, производящее измерение контролируе-

мого параметра и преобразование его в электрический сигнал. Блок

преобразования БП, получающий сигнал от датчика, преобразующий

его в информацию, удобную для всей автоматической системы кон-

троля и передающего этот сигнал устройству сравнения УС. Устройст-

во сравнения сопоставляет полученную от БП информацию с задан-

ным значением и результаты сравнения передает решающему устройст-

ву РУ. Решающее устройство на основе полученной информации о

возникшем рассогласовании принимает решение и формирует соответст-

вующую команду для исполнительного устройства ИУ. Исполнитель-

ное устройство реализует команду, выполняя соответствующие дейст-

вия по устранению или предотвращению брака, т. е. достижению за-

данных условий выполнения технологического процесса. Штриховы-

ми линиями показаны возможные (альтернативные) воздействия.

Для сокращения времени контроля и таким образом повыше-

ния производительности контрольных операций автоматическое изме-

рение контролируемого параметра может осуществляться в процессе

обработки, во время транспортирования объекта измерения, или на

специальной измерительной позиции. Первые два случая позволяют

совместить время на измерение с технологическим процессом, но ус-

ловия измерения здесь менее благоприятны. В последнем случае мож-

но значительно улучшить условия измерения, чем повысится точность,

но из-за затрат дополнительного времени получается проигрыш в про-

изводительности и в быстродействии управления.

Так как управление (контроль) осуществляется на основании

измерения контролируемого параметра, то ошибки в измерении будут

приводить к ошибкам в управлении. Поскольку контролируемый па-

раметр не является изолированным, то на него действует целый ряд

побочных факторов. Так при точении, диаметр обрабатываемого вали-

ка зависит не только от начального положения инструмента, но и от

силовых и тепловых деформаций изделия, станка, инструмента, кото-

рые в свою очередь зависят от материалов, припуска, состояния режу-

щей кромки инструмента и т. п.

В связи с этим, в зависимости от реакции автоматической сис-

темы контроля различают два способа контроля: дифференцирован-

ный и интегральный.

При дифференцированном способе автоматическая система

контроля принимает решения и реализует их на основании каждого

измерения.

178При интегральном способе автоматическая система контроля

принимает и реализует решения на основе нескольких измерений (ли-

бо несколько измерений одного параметра для одного объекта, либо

измерения разных параметров одного объекта, либо измерения одного

параметра у нескольких объектов).

Дифференцированный способ позволяет быстрее реагировать

на возникающие отклонения в технологическом процессе, но возмож-

на преждевременная реакция и неоправданные действия. Интеграль-

ный способ более инерционный и реакция на отклонения происходит

медленнее, однако, он более защищен от случайных погрешностей.

По воздействию на технологический процесс автоматические

методы контроля могут быть разделены на пассивные и активные.

При пассивных методах автоматическая система контроля не

изменяет технологический процесс, а лишь приспосабливает контро-

лируемые изделия к принятому технологическому процессу. В этом

случае она либо разрешает дальнейшую обработку, разбивая изделия

на годные и брак (брак исправимый отправляется на переделку, а не-

исправимый – в отходы), либо обеспечивает дальнейший технологичес-

кий процесс, разделив все изделия на различные группы (осуществля-

ется селективная сборка или производится корректировка в дальней-

шей групповой обработке). При пассивных методах контроля резуль-

таты контроля учитываются для последующей обработки, но непо-

средственного автоматического влияния на текущий процесс не про-

исходит. Для пассивных методов контроля отсутствует временная

связь, т. е. технологический процесс и измерение не связаны жестко во

времени и могут существовать независимо (разумеется, сначала нужно

получить результаты измерения). Пассивные методы автоматического

контроля могут посылать свое управляющее воздействие лишь вперед

по ходу технологического процесса. Для таких систем чаще применя-

ется дифференцированный способ контроля.

Автоматические устройства для контроля и сортировки изде-

лий очень разнообразны. Однако все они полностью или частично

включают следующие (главные) устройства: загрузочное, транспорти-

рующее, измерительное, сортировочное и фиксирующее.

К числу устройств, являющихся характерными для контроль-

ных автоматов, относятся измерительные устройства, рассмотренные

нами раньше, и сортировочные механизмы.

Сортировочные механизмы контрольных автоматов приводятся

в движение чаще всего электромагнитами или соленоидами, которые

поворачивают на надлежащий угол механические элементы – заслонки –

с целью принудительной рассортировки контролируемых деталей по

соответствующим приемникам.

179В качестве примера на рис. 3.18

дана веерообразная схема с сорти-

рующим желобом 3, поворачиваю-

щимся вокруг горизонтальной оси 2.

Поворот желоба 3 осуществляется с

помощью серии электромагнитов (Э1,

Э2, Э3). Каждый электромагнит, сра-

батывая, поворачивает желоб на оп-

ределенный угол и устанавливает его

против одного из направляющих же-

лобов Н1, Н2, Н3 или Н4, ведущих к

приемникам. Таким образом, деталь

1, выпадающая из измерительного

устройства, попадает в определенный

направляющий желоб. Якорь каждого

электромагнита связан с валиком сортирующего желоба 3 посредством

соответственной кривошипной тяги 4, кривошипы оттягиваются в ис-

ходное положение пружинами 5. Необходимый угол поворота желоба

3 достигается установкой надлежащего начального зазора между яко-

рем и сердечником каждого электромагнита.

Рис. 3.18 – Механизм

сортировки

Включение того или иного электромагнита осуществляет про-

межуточный преобразователь импульсов.

Автоматические контрольные устройства и автоматы, управ-

ляющие режимом работы основного технологического оборудования

на основе измерения изделий, относятся к средствам активного конт-

роля. Измерение при этом может осуществляться в процессе обработ-

ки, до обработки и после нее.

Главным преимуществом средств активного контроля является

оперативность управления, немедленное вмешательство в ход техно-

логического процесса при его отклонении от заданных параметров с

целью восстановления нормального хода технологического процесса.

Контроль при помощи активных средств является наиболее

прогрессивным. Его особенно целесообразно применять на оконча-

тельных операциях, где требуется высокая точность, так как дальней-

шей обработке деталь не подвергается. Поэтому определенный инте-

рес представляют контрольные автоматы, используемые при выполне-

нии шлифовальных работ.

При активных методах автоматическая система контроля через

исполнительное устройство производит корректировку текущего тех-

нологического процесса с целью осуществления оптимальных условий

обработки и получения заданных результатов. Активные методы яв-

ляются высшей формой автоматического контроля, поскольку позво-

180ляют воздействовать на ход технологического процесса с целью полу-

чения высокого качества и высокой производительности. Для активно-

го метода характерна взаимосвязь времени технологического процесса

и процесса измерения. При активных методах управление технологи-

ческим процессом может идти вперед, на себя и назад. Для них может

применяться как дифференцированный, так и интегральный способы

контроля.

В качестве примера использования активного метода контроля

может служить устройство для спаренного шлифования. В ряде отрас-

лей точного машиностроения предъявляются высокие требования к

колебаниям зазоров или натягов в сопряжениях. Они в ряде случаев не

должны превышать 1–2 мкм. Такие колебания зазоров не могут быть

достигнуты при применении методов полной взаимозаменяемости. В

последние годы разработаны круглошлифовальные станки, в которых

шлифование вала производится автоматически, до получения заданно-

го зазора (натяга) в сопряжении с ранее изготовленным отверстием

(втулкой). Этот метод “спаренного шлифования” заменяет методы

пригонки и подбора сопрягаемых пар.

Схема устройства БВ-4009К изображена на рис. 3.19. Пневма-

тическая измерительная пробка 12 монтируется вблизи круглошли-

фовального станка и с ее помощью производится измерение втулки 11

по ранее обработанному диаметру D.

Рис. 3.19 – Схема активного контроля для

сопряженного шлифования

Устройство 6 устанавливается на круглошлифовальном станке

и с помощью двухконтактной пневматической скобы контролируется

размер d вала 5 в процессе шлифования. Оба измерительных устройст-

ва (12 и 6) подключены по дифференциальной схеме к сильфонному

181датчику 2, причем пневматическая пробка подключена к сильфону 1, а

пневматическая скоба – к сильфону 3. Измерительное давление в

сильфоне 1 будет зависеть от размера D втулки, т. е. от зазора s1 меж-

ду соплом пробки и стенкой отверстия. Давление в сильфоне 3 датчика

зависит от зазора s2 между пяткой измерительного рычага – губки 4

скобы 6 и измерительным соплом 7. Зазор s2 уменьшается по мере

шлифования вала и уменьшения диаметра d, а давление в сильфоне 3

растет. В начале шлифования подвижный 9 и неподвижный левый 8

контакты датчика замкнуты – идет черновое шлифование. После съема

чернового припуска контакты 8 и 9 размыкаются и станок переключа-

ется на чистовое шлифование, которое продолжается до замыкания

контактов 9 и 10 датчика. Дается команда на прекращение шлифова-

ния и отвод круга. Момент замыкания контакта 10 зависит от давления

в сильфоне 1, т. е. размера D втулки.

Активные автоматические системы контроля с подачей управ-

ляющего воздействия назад получили название автоподналадчиков.

Такие системы обычно используют интегральный способ контроля и

применяются в тех случаях, когда идет однотипная обработка с мед-

ленным отклонением из-за износа инструмента.

В общем случае суммарное рассеивание размеров при обра-

ботке партии деталей складывается из мгновенного рассеивания и поля

систематически закономерно изменяющейся погрешности.

На рис. 3.20 представлено несколько положений мгновенных

рассеиваний по полю допуска δ, взятых через определенные отрезки

времени (например, через один час) ti, ti+1, ti+2 и т. д.

Рис. 3.20 – Диаграмма точности процесса обработки

182Из схемы видно, что вначале процесс идет без брака и в то же

время мгновенное рассеивание смещается по полю допуска, каждое

последующее все более приближается к верхнему допустимому преде-

лу (ВДП), удаляясь от нижнего допустимого предела (НД). Поле мгно-

венного рассеивания при построении диаграммы точности определяется

из условия, что на узком участке процесса значение систематически

закономерно изменяющихся погрешностей для некоторой совокупно-

сти размеров одно и то же или разница в их значениях настолько мала,

что не оказывает влияния на характер распределения. В таких случаях

мгновенное распределение, не искаженное ошибками износа режущего

инструмента, подчиняется нормальному закону и имеет диапазон из-

менения размеров, равный 6σ.

Таким образом, линии С и С 1 2, ограничивающие поле мгно-

венного рассеивания на диаграмме точности, будут параллельны ли-

нии А0, определяющей систематическую погрешность – износ режу-

щего инструмента.

Однако для полной гарантии отсутствия брака необходимо,

чтобы размеры изделий при обработке партии укладывались не между

верхним и нижним пределами технического допуска, а в более узких

границах, называемых контрольно-предупредительными границами

(КПГ), отличающихся на величину Δ от пределов допуска.

При монотонном изменении функции суммарной погрешно-

сти, характеризуемой мгновенным рассеиванием, можно ожидать, что

последующие мгновенные рассеивания в моменты времени ti+3, ti+4 и

т. д. разместятся относительно поля допуска таким образом, что воз-

никнет брак.

Чтобы этого не случилось, необходимо подкорректировать

выполнение технологического процесса подналадкой станка, которая

может осуществляться вручную или автоматически с помощью уст-

ройств, называемых автоподналадчиками.

Принципиальная схема бесцентрово-шлифовального автомата,

оснащенного системой автоматической подналадки, представлена на

рис. 3.21.

Детали типа шрифтов засыпаются в бункерное загрузочное

устройство 1, по спиральному лотку которого они автоматически под-

нимаются вверх, а затем, двигаясь по прямолинейному вибрационному

лотку 2, поступают на опорный нож 3, установленный между шлифо-

вальным кругом 4 и ведущим кругом 5 бесцентрово-шлифовального

станка 9.

183Рис. 3.21 – Схема работы автоподналадчика

бесцентрово-шлифовального станка

Детали, попавшие на опорный нож, захватываются ведущим

кругом и увлекаются в рабочую зону станка. По окончании обработки

деталь с опорного ножа поступает на вибрационный лоток 6 и быстро

двигается в направлении контрольного автомата 7. При движении по

вибрационному лотку 6 детали, совершая колебательные движения и

соударяясь, очищаются от эмульсии и продуктов шлифования –

стружки и абразива.

Для воздействия на механизм размерной подачи станка по ко-

манде от контрольного автомата в системе предусмотрен исполни-

тельный механизм 8, состоящий из нормально заторможенного двига-

теля, управляемого реле времени. Электрическая часть подналадчика

сосредоточена в электронном блоке 10. Станок и все автоматизирую-

щие устройства управляются с общего пульта управления ПУ.

Подналадчик по результатам измерения автоматически отби-

раемых из потока деталей дает командный импульс на подналадку

шлифовального круга при приближении размера деталей к верхней

границе поля допуска и на прекращение обработки при выходе разме-

ров за границы операционного допуска. Кроме того, подналадчик вво-

дит бесцентрово-шлифовальный автомат “в размер” после правки

шлифовальных кругов, отводит из потока забракованные детали и по-

дает соответствующие сигналы.

Автоподналадчики проще по своей конструкции, а главное,

вынос измерительной позиции из рабочей зоны значительно облегчает

работу измерительной системы. Известны автоподналадчики для бес-

184центрово-шлифовальных, круглошлифовальных, плоскошлифоваль-

ных, токарных, расточных станков. Возможно применение автоподна-

ладчиков для химических процессов, когда истощение обрабатываю-

щей среды будет требовать постепенного увеличения выдержки.

Выбор метода и способа контроля зависят от технологическо-

го процесса, степени автоматизации производства, требуемого качест-

ва изготавливаемых изделий, возможностей осуществления самого

автоматического контроля, требуемой производительности. Очевидно,

что активный автоматический контроль является более прогрессив-

ным, но мы не всегда можем его осуществить.

3.6. Разновидности автоматического

контроля точности деталей

Выросшие относительные затраты времени на операции кон-

троля из-за сокращения трудозатрат на собственно производственный

процесс, т. е. на обработку, а также возросшие требования к качеству

производимой продукции, требующих в свою очередь увеличения ох-

вата контрольными операциями, делают автоматизацию контроля не-

обходимой.

Все виды контроля можно представить схемой рис. 3.22.

Контроль

точности

изготовления

сборки

Контроль

качества

изготовления

сборки

эксплуатации

Рис. 3.22 – Виды автоматического контроля

185Точность изготовления обусловлена условиями эксплуатации

и сборки. Она может быть достигнута:

− сопряженным изготовлением;

− установлением границ допусков на сборку (отсюда получа-

ют допуски на изготовление;

− условиями взаимозаменяемости;

− контролем при сборке и индивидуальной пригонке.

Контроль качества, достигаемого при изготовлении, пре-

дусматривает достижение заданных характеристик качества обработки

поверхностей, механических свойств (твердость, упругость, вязкость,

износостойкость), магнитных свойств (магнитная упругость, магнит-

ные потери, коэрцитивная сила), электрических свойств (электропро-

водность, контактное сопротивление) и т. д.

Контроль качества сборки предусматривает правильность ус-

тановки, сопряжения, закрепления. Введение здесь автоматизации

процесса позволяет повысить производительность и качество выпус-

каемой продукции.

Как и все автоматические системы, автоматические системы

контроля можно разделить на локальные и общие.

Локальные системы контроля позволяют осуществлять конт-

роль:

− качества изготовления и сборки;

− работоспособности оборудования;

− оптимальности режимов работы;

− загрузки оборудования.

Общие системы контроля могут выполняться в виде:

− информационных систем обеспечения работоспособности

оборудования;

− оперативных систем управления и диспетчеризации в усло-

виях безлюдных производственных процессов.

186

1 2 3 4 5 6 Наверх ↑