ПОСТРОЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ
Использование метрологических схем необходимо при описании измерительных процедур, методик выполнения измерений параметров объектов, методик поверки и калибровки средств измерений, а также при описании средств измерений в технической проектной и эксплуатационной документации. Удачно оформленная метрологическая схема не только несет концентрированную информацию, но и позволяет строить модели образования составляющих погрешностей, чтобы затем проводить необходимые точностные расчеты. Сложность применения метрологических схем на сегодняшний день в значительной мере связана с отсутствием какой бы то ни было их регламентации в нормативных документах и научно-технической литературе.
Часто встречающиеся в литературе и технической документации понятия "схема измерения", "схема поверки", "схема контроля", "схема средства измерений" и некоторые другие не имеют четких определений, принципов построения и условных обозначений элементов, чем существенно затрудняется их использование. Прямое заимствование определений из стандартов ЕСКД невозможно, а условных обозначений непродуктивно из-за существенных различий в содержании и целевом назначении схем. Отсюда очевидна необходимость разработки нормативных документов, регламентирующих виды метрологических схем, требования к их составу и условные обозначения элементов.
В нормативной документации следует определить назначение и состав схем средств измерений, схем измерений физических величин, схем измерительного приемочного контроля объектов, схем контрольных точек (сечений) контролируемых объектов, возможности совмещения схем этих видов. Возможно, что в ходе работы над документом проявится необходимость разработки специальных схем поверки, калибровки и метрологической аттестации средств измерений.
В современных условиях часто не обращают внимания на разницу между схемами измерений конкретной физической величины, носителем которой является объект, и схемами измерительного контроля объекта. Основное различие между измерением и контролем состоит в том, что результатом измерений является оценка физической величины, а результатом контроля – заключение о годности контролируемого объекта по контролируемому параметру (по данной величине). Поэтому в отличие от схемы измерения схема контроля включает указание числа и расположения контрольных точек (сечений) объекта, необходимых для создания его адекватной модели, которую сопоставляют с нормативной моделью для оценки годности объекта. Следовательно, схема контроля объекта по некоторому нормированному параметру (физической величине) в ряде случаев не исчерпывается схемой измерения этой физической величины, а должна включать дополнительную информацию.
Схема измерения может совпадать со схемой контроля в том случае, когда физическая величина воспроизводится на объекте однократно и контрольные точки (сечения) в принципе отсутствуют (масса детали, сопротивление высокоомного резистора, объем тела) или модель объекта строится по результатам измерения в одной контрольной точке/сечении (наибольшая глубина водоема, длина швейной иглы). Схема измерения имеет ограниченную область применения, в частности она необходима при измерениях ненормированных объектов, что достаточно часто встречается в научных исследованиях. Однако при исследовании объекта, на котором номинально одна физическая величина фактически воспроизводится как бесконечное множество однородных величин, схема измерений обязательно должна быть дополнена схемой контрольных точек (сечений) исследуемого объекта.
Контрольная точка – условное наименование, определяющее область "съема измерительной информации об исследуемой физической величине" с измеряемого объекта средством измерения или область "контакта" единичного чувствительного элемента с объектом измерения. "Точка" может иметь значительную протяженность (площадь или объем), как например, при контроле призматической детали гладким микрометром или при измерениях температуры среды жидкостным термометром. При использовании средств измерений с несколькими чувствительными элементами в одно контрольное сечение может входить соответствующее множество контрольных точек. Термин "контрольная точка (сечение)" не означает, что осуществляется процесс контроля объекта, это традиционное наименование точек съема информации об измеряемой физической величине, в том числе при экспериментальных исследованиях, когда бессмысленно говорить о контроле исследуемых параметров.
Под контрольной точкой понимают редуцированное к геометрической точке на схеме место взаимодействия чувствительного элемента средства измерений с поверхностью контролируемого объекта. Под контрольным сечением понимают либо сечение объекта плоскостью, проходящей через линию измерения (контролируемое или исследуемое сечение), либо прямую линию между двумя чувствительными элементами средства измерений в месте контакта с поверхностью контролируемого объекта. Если контрольное сечение несет множество номинально одинаковых величин, которые в процессе измерений могут быть признаны отличными, вопрос о получении представительных результатов в данном сечении выходит за пределы информации в схеме контрольных сечений и описывается в методике выполнения измерений или в схемах измерений либо измерительного контроля. При наличии у средства измерений более двух чувствительных элементов конфигурация контрольного сечения включает все контрольные точки, и контрольное сечение может превратиться в трехмерную фигуру.
Схемы контрольных точек (контрольных сечений) должны включать:
- Эскиз детали с указанием контрольных точек (контрольных сечений) объекта. Элементы, не подлежащие контролю, могут быть показаны упрощенно или вообще исключены из изображения объекта контроля. При необходимости эскиз контролируемого объекта выполняется с указанием параметров расположения контрольных точек или сечений на необходимом для этого числе проекций (разрезов, сечений).
- Обозначения направлений измерительных перемещений, если они не являются очевидными.
- Направления и характер вспомогательных относительных перемещений чувствительного элемента СИ и контролируемого объекта (указывают при необходимости).
Примечание. К вспомогательным перемещениям относятся те, которые обеспечивают поиск направления линии измерений на объекте (например, покачивание нутромера в отверстии для поиска нормального сечения), или необходимы для получения значений измеряемой величины в исследуемом контрольном сечении (вращение детали при измерении биений, перемещение измерительной головки по нормали к линии измерения при измерении полного радиального или торцового биения и т.п.).
Схемы контрольных точек (контрольных сечений) могут дополняться вербальными описаниями требований к их расположению и идентификации на объекте измерений, например:
- «Контрольные сечения располагать равномерно на всей длине цилиндрической поверхности. Крайние сечения должны находиться на расстоянии не менее 2 мм от торцов, ограничивающих контролируемую ступень вала».
- «Контрольные точки располагать по равномерной сетке с одинаковыми шагами на всей площади плоской поверхности. При обнаружении экстремумов провести дополнительные измерения в исследуемой области по более густой сетке и внести в схему измерений новые контрольные точки, либо зафиксировать видоизмененную (корректированную) сетку с неравномерными шагами».
- «Перемещение измерительной головки при контроле полного радиального биения в сечениях №№ 1…N осуществлять с сохранением начала отсчета отклонений в системе координат, связанной с базовой осью».
Примеры схем расположения контрольных точек для случаев исследования прямолинейности и плоскостности, а также примеры указания контрольных сечений при измерении размеров поперечного сечения цилиндрического валика, при контроле радиального и полного радиального биений одной из цилиндрических поверхностей детали типа "вал" представлены на рис.1. На схемах не указаны направления измерений, поскольку очевидно, что линии измерений нормальны к исследуемым поверхностям. Базовые элементы деталей и базирующие устройства средств измерений не показаны, поскольку они не являются элементами схем контрольных точек (сечений).
Рис.1. Схемы расположения контрольных точек и сечений: а – для измерения прямолинейности профиля; б – для измерения плоскостности (контрольные точки А1, А2,…, Г7 расположены на пересечении прямых, образующих регулярную сетку); в – для измерения поперечных размеров цилиндрического валика; г – для измерения радиального биения наружной цилиндрической поверхности (показано вспомогательное перемещение – относительные перемещения контролируемого объекта и чувствительного элемента СИ, обычно реализуемое за счет вращения детали); д – для измерения полного радиального биения наружной цилиндрической поверхности (дополнительно показана необходимость координированного взаимного перемещения чувствительного элемента и детали).
Схема контроля (схема измерительного контроля) конкретного геометрического параметра объекта является составной частью методики контроля и должна отображать реализацию процесса измерительного контроля. Схема контроля объекта по заданному геометрическому параметру должна включать:
- Эскиз детали с выделенными элементами, подлежащими контролю и базовыми элементами (если они не совпадают с контролируемым). Элементы, не подлежащие контролю и не являющиеся базовыми, могут быть показаны упрощенно или вообще исключены из изображения объекта контроля.
- Указание контрольных точек (контрольных сечений) объекта. При необходимости выполняется дополнительный эскиз контролируемого объекта со всеми контрольными точками (контрольными сечениями) и указанием параметров расположения контрольных точек или сечений или схема контрольных точек (сечений).
- Изображение средства измерений в одном или нескольких видах ("проекциях"), с обязательным включением условных обозначений базирующих элементов средства измерений и его чувствительных элементов. Остальные элементы средства измерений, вспомогательные устройства, установочные меры изображают при необходимости.
Примечание. Чувствительные элементы могут совпадать с базирующими, так для накладных приборов типа микрометров гладких, рычажных микрометров и скоб базирующие элементы (пятки прибора) одновременно являются его чувствительными элементами.
- Обозначения направлений и указание характера (непрерывный, периодический) измерительных перемещений, а также (при необходимости) схематические изображения обеспечивающих эти перемещения кинематических элементов.
Примечание. Не указывают кинематические элементы, являющиеся органической частью применяемых СИ, например, направляющие штока измерительной головки.
- Обозначения направлений и указание характера (при необходимости) всех вспомогательных и установочных перемещений, необходимых для осуществления контроля (для получения адекватной модели контролируемого объекта), а также схематические изображения обеспечивающих эти перемещения кинематических элементов.
Примечание. К вспомогательным перемещениям относятся те, которые обеспечивают перенос линии измерений в новую контрольную точку (сечение), а также совмещение линии измерений с экстремальными значениями контролируемых параметров (например, покачивание нутромера для поиска наименьшего диаметра отверстия в контролируемом сечении). Установочные перемещения – те, которые применяются для обеспечения правильной установки прибора в пространстве и при настройке прибора на меру.
- Изображение настройки средства измерений на меру (блок или ансамбль мер), если измерение осуществляется методом замещения и такое изображение является необходимым, например, для указания настроечных и/или установочных перемещений. Например, при настройке индикаторного нутромера по блоку концевых мер с боковиками установочные перемещения не совпадают со вспомогательными перемещениями, осуществляемыми при измерении цилиндрического отверстия.
Примечание. Изображение настройки средства измерений может быть выполнено как самостоятельная схема настройки, особенно в случаях настройки многомерного средства контроля на сложную меру или несколько мер (ансамблей мер).
В схему контроля может входить схема контрольных точек (сечений), если такое совмещение не затрудняет чтение. Изображение на схеме контроля может включать две проекции, если это необходимо для указания установочных и вспомогательных перемещений.
Для изображения контрольных схем и схем измерений по возможности следует использовать условные обозначения из ЕСКД, но необходима также разработка специальных обозначений (измерительные головки, стандартные стойки и штативы, чувствительные и базирующие элементы СИ и т.д.).
Примеры условных обозначений различных элементов для схем контроля приведены ниже и включают условные обозначения контактных чувствительных элементов средств измерений (рис. 2), условные обозначения базирующих элементов (рис. 3), условные обозначения измерительных головок и первичных измерительных преобразователей (рис. 4), условные обозначения промежуточных измерительных преобразователей (рис. 5), направляющие продольного перемещения и вращательного движения (рис. 6), примеры обозначений вспомогательных перемещений (рис. 7), а также измерительных или "отсчетных" перемещений (рис. 8).
Рис. 2. Условные обозначения контактных чувствительных элементов средств измерений геометрических параметров: а – сферические, б – плоский, в – ножевой, г – конические, д – тороидальный, е – цилиндрический.
Бесконтактные чувствительные элементы СИ (оптические, пневматические, электрические) обозначаются разработчиком схемы самостоятельно с обязательным указанием условного обозначения с соответствующим пояснением вне схемы.
Рис. 3. Условные обозначения базирующих элементов средств измерений геометрических параметров: а – плоский, б – сферический, в – ножевой, г – призматический с ножевой призмой, д – призматический с плоскими гранями, е – призматический с дисковыми роликами, ж – призматический с цилиндрическими роликами, з – конический (центр), и – оправка цилиндрическая, к – оправка коническая, л – оправка разжимная шариковая, м – оправка разжимная цанговая, н – патрон кулачковый, о – патрон цанговый.
Рис. 4. Условные обозначения измерительных головок и первичных измерительных преобразователей: а – аналоговые головки, б – дискретная (цифровая) головка, в – аналоговый первичный измерительный преобразователь, г – дискретный (цифровой, числовой) первичный измерительный преобразователь с дискретным (цифровым, числовым) выходом.
Рис. 5. Условные обозначения промежуточных измерительных преобразователей: а, б – аналоговые, б – дискретный (цифровой), сложный (многоступенчатая цепочка измерительных преобразователей).
Рис. 6. Направляющие: а – продольного перемещения с трением скольжения, б – продольного перемещения с трением скольжения и фиксацией, в – продольного перемещения с трением качения, г – вращения с трением скольжения, д – вращения с трением качения.
Рис. 7. Перемещения вспомогательные (примеры обозначений): а – прямолинейное непрерывное, б – прямолинейное непрерывное в прямом и обратном направлениях, в – прямолинейное дискретное в прямом и обратном направлениях, г – прямолинейное непрерывное в двух взаимно перпендикулярных направлениях (двухкоординатное), д – круговое непрерывное.
Рис. 8. Перемещения измерительные или "отсчетные" (примеры обозначений): а – прямолинейное непрерывное в прямом и обратном направлениях, б – прямолинейное дискретное в прямом и обратном направлениях, в – прямолинейное непрерывное в двух взаимно перпендикулярных направлениях (двухкоординатное), г – круговое непрерывное.
На рис 9 представлены схемы контроля радиального и торцового биений деталей типа "вал" при базировании в двух призмах (а) и в одной призме (б). Показаны также используемые при измерении вспомогательные базы у левого торца вала и силовое замыкание (сила Р), вспомогательное вращательное движение вала, обеспечивающее измерение радиусов-векторов по всему контрольному сечению. На рис. 9 а показаны три контрольных сечения (1, 2 и 3), равномерно расположенных вдоль контролируемой поверхности, и вспомогательное перемещение измерительной головки (прерывистое прямолинейное перемещение вдоль оси детали, которое может осуществляться путем перестановки измерительной головки с позиции на позицию). На рис. 9 б показано только одно контрольное сечение, лежащее на радиусе R. Значения R, L, l, приведенные непосредственно на схеме, или в сопровождающем ее текстовом описании, могут оказаться необходимыми для расчетов значений составляющих погрешностей измерений в том случае, если схема будет использоваться не только для описания МВИ, но и для функционального анализа погрешностей. Направления измерительных (отсчетных) перемещений не указываются, поскольку они очевидны: при контроле радиального биения – по радиусу к базовой оси, при контроле торцового биения – вдоль базовой оси, то есть по нормали к торцу. Отсчетными устройствами служат измерительные головки с аналоговым выходным сигналом.
Применение унифицированного подхода к построению метрологических схем позволит обеспечить единообразное описание методик выполнения измерений, операций и процессов контроля в технической документации, что является очень важным для выполнения измерений и трактовки результатов измерительного контроля. Унификация схем облегчит также процесс проектирования МВИ и их функциональный анализ при оценке погрешностей измерений.
Типовые модели объектов, предлагаемые для вариантов задания на курсовое проектирование, включают:
Схемы а, в – вал с одной базовой поверхностью; схемы б, г, е – вал с двумя базовыми поверхностями, совокупность которых определяет технологическую базу детали (ось центров); схема д – вал с двумя базовыми поверхностями, совокупность которых определяет конструкторскую базу детали; схема ж – призматическая деталь с плоскопараллельными поверхностями.