Инструменты для усиления и измерения расстояний.

Введение

Прибор для усиления показаний расстояния

В различных областях науки, техники и производства (таких как механическая обработка, изготовление и аддитивное производство) индикатор – это любой из ряда инструментов, используемых для точного измерения малых расстояний и углов и усиления этих измерений для большей наглядности. Название происходит от идеи информирования пользователя о том, что неразличимо невооруженным глазом, например, о наличии или точном значении малого расстояния (например, небольшой разницы в высоте между двумя плоскими поверхностями, незначительной несоосности между двумя цилиндрами или других малых физических отклонений). Классическая механическая версия, называемая индикатором с циферблатом, имеет циферблатное отображение, похожее на циферблат часов со стрелками; стрелки указывают на деления на круговых шкалах циферблата, которые соответствуют расстоянию наконечника щупа от нулевой установки. Внутреннее устройство механического индикатора с циферблатом аналогично прецизионному часовому механизму механических наручных часов, использующему реечную передачу для считывания положения щупа вместо маятникового спуска для отсчета времени. Боковая поверхность вала щупа имеет зубья, образующие реечную передачу. При перемещении щупа реечная передача приводит во вращение зубчатое колесо, вращая стрелку индикатора, подобно часовой. Пружины предварительно нагружают механизм передачи для минимизации ошибки люфта при снятии показаний. Точное качество формы зубьев и свобода хода подшипников определяют достижимую повторяемость измерений. Поскольку механизмы неизбежно деликатны, требуется прочная конструкция корпуса для обеспечения надежной работы в жестких условиях, таких как металлообрабатывающие операции на станках, подобно усиленной конструкции наручных часов. Другие типы индикаторов включают механические устройства с консольными указателями и электронные устройства с цифровыми дисплеями. Электронные версии используют оптическую или емкостную шкалу для обнаружения микроскопических шагов в положении щупа. Индикаторы могут использоваться для проверки отклонений в допусках при контроле обработанной детали, измерения прогиба балки или кольца в лабораторных условиях, а также во многих других ситуациях, когда необходимо зарегистрировать или отобразить малое измерение. Индикаторы с циферблатом обычно измеряют диапазоны от 0,25 мм до 300 мм (от 0,015 до 12,0 дюймов) с ценой деления от 0,001 мм до 0,01 мм (метрическая система) или от 0,00005 до 0,001 дюйма (имперская/обычная система). Для индикаторов различных типов и целей используются различные названия, включая индикатор с циферблатом, часы, индикатор щупом, указатель, контрольный индикатор, индикатор с циферблатом для контроля, индикатор падающего типа, индикатор с плунжером и другие.

In various contexts of science, technology, and manufacturing (such as machining, fabricating, and additive manufacturing), an indicator is any of various instruments used to accurately measure small distances and angles, and amplify them to make them more obvious. The name comes from the concept of indicating to the user that which their naked eye cannot discern; such as the presence, or exact quantity, of some small distance (for example, a small height difference between two flat surfaces, a slight lack of concentricity between two cylinders, or other small physical deviations). The classic mechanical version, called a dial indicator, provides a dial display similar to a clock face with clock hands; the hands point to graduations in circular scales on the dial which represent the distance of the probe tip from a zero setting. The internal works of a mechanical dial indicator are similar to the precision clockworks of a mechanical wristwatch, employing a rack and pinion gear to read the probe position, instead of a pendulum escapement to read time. The side of the indicator probe shaft is cut with teeth to provide the rack gear. When the probe moves, the rack gear drives a pinion gear to rotate, spinning the indicator "clock" hand. Springs preload the gear mechanism to minimize the backlash error in the reading. Precise quality of the gear forms and bearing freedom determines the repeatable precision of measurement achieved. Since the mechanisms are necessarily delicate, rugged framework construction is required to perform reliably in harsh applications such as machine tool metalworking operations, similar to how wristwatches are ruggedized. Other types of indicator include mechanical devices with cantilevered pointers and electronic devices with digital displays. Electronic versions employ an optical or capacitive grating to detect microscopic steps in the position of the probe. Indicators may be used to check the variation in tolerance during the inspection process of a machined part, measure the deflection of a beam or ring under laboratory conditions, as well as many other situations where a small measurement needs to be registered or indicated. Dial indicators typically measure ranges from 0.25 mm to 300 mm (0.015in to 12.0in), with graduations of 0.001 mm to 0.01 mm (metric) or 0.00005in to 0.001in (imperial/customary). Various names are used for indicators of different types and purposes, including dial gauge, clock, probe indicator, pointer, test indicator, dial test indicator, drop indicator, plunger indicator, and others.

Принципы

Показатели по своей сути предоставляют только относительные значения. Однако при использовании подходящих эталонов (например, поверочных плит) они часто позволяют получить практический эквивалент абсолютного измерения, с периодической перепроверкой по отношению к этим эталонам. Тем не менее, пользователь должен знать, как правильно их применять и понимать, что в некоторых ситуациях их показания останутся относительными, а не абсолютными из-за таких факторов, как ошибка косинуса (которая будет рассмотрена далее).

Приложения

В контролируемой среде для проверки соответствия и точности в производственном процессе. На производственной площадке для первоначальной настройки или калибровки станка перед запуском производственной серии. Инструментальщиками (например, изготовителями пресс-форм) в процессе производства прецизионного инструмента. В металлообрабатывающих мастерских, где типичным применением является центровка заготовки токарного станка в четырехкулапном патроне. Индикатор часового типа используется для определения биения (расхождения между осью симметрии вращения заготовки и осью вращения шпинделя) заготовки, с конечной целью уменьшения этого биения до приемлемого минимального значения путем небольших регулировок кулачков патрона. В областях, отличных от производства, где требуется точная регистрация измерений (например, в физике). Для проверки бокового биения при установке нового ротора на автомобильный дисковый тормоз. Боковое биение (отсутствие перпендикулярности между поверхностью диска и осью ступицы, вызванное деформациями или, чаще, недостаточной очисткой монтажной поверхности ступицы). Это может привести к пульсации педали тормоза, вибрации автомобиля при торможении и неравномерному износу диска. Боковое биение может быть вызвано неравномерным моментом затяжки, поврежденными шпильками или заусенцами или ржавчиной между ступицей и ротором. Данное отклонение можно проверить с помощью индикатора часового типа, и в большинстве случаев его можно в той или иной степени компенсировать, переустановив диск в другое положение, чтобы допуски как ступицы, так и диска взаимно компенсировались. Для уменьшения биения диск устанавливают и затягивают до половины указанного момента (поскольку нет колеса для распределения нагрузки), затем индикатор часового типа устанавливают напротив тормозной поверхности и центрируют шкалу индикатора, диск медленно вращают вручную и фиксируют максимальное отклонение. Если максимальное биение находится в пределах допустимого значения, указанного в руководстве, диск можно установить в этом положении, но если техник хочет минимизировать общее боковое биение, можно попробовать другие положения по окружности. Превышение допустимого биения может быстро привести к выходу диска из строя, если оно превышает установленный предел (обычно до 0,6 мм, но большинство дисков могут достичь значения менее 0,3 мм или даже меньше при установке в оптимальное положение).

In a quality environment to check for consistency and accuracy in the manufacturing process. On the workshop floor to initially set up or calibrate a machine, prior to a production run. By toolmakers (such as moldmakers) in the process of manufacturing precision tooling. In metal engineering workshops, where a typical application is the centering of a lathe's workpiece in a four jaw chuck. The dial indicator is used to indicate the run out (the misalignment between the workpiece's axis of rotational symmetry and the axis of rotation of the spindle) of the workpiece, with the ultimate aim of reducing it to a suitably small range using small chuck jaw adjustments. In areas other than manufacturing where accurate measurements need to be recorded (e. g., physics). To check for lateral run out when affixing a new rotor to an automotive disc brake. Lateral run out (lack of perpendicularity between the disc surface and the shaft axis, caused by deformations or more frequently by a lack of proper cleaning of the mounting surface of hub. This run out can produce brake pedal pulsations, vibration of the vehicle when brakes are applied and can induce uneven wear of the disc. The lateral run out can be caused by uneven torque, damaged studs, or a burr or rust between the hub and rotor. This variation can be tested with a dial indicator, and most times the variation can be more or less cancelled by reinstalling the disc in other position, so that the tolerances of both the hub and the disc tend to cancel each other. To reduce the run out, the disc is mounted and torqued to half the specified torque (as there is no wheel to distribute stresses) then a dial Indicator is placed against the braking surface and the face of the dial is centered, the disc is slowly rotated by hand and the maximum deviation is noted. If the maximum run out is within the maximum allowed run out specified in the manual, the disc can be installed at that position, but if the technician wants to minimize the total lateral run out, other around the clock positions can be tried. Excessive run out can rapidly ruin the disc if it exceeds the specified tolerance (typically up to but most discs can attain less than or less if installed at the optimum position).

Индикатор зонды

Индикаторы щупов обычно состоят из градуированного циферблата и стрелки, приводимых в движение часовым механизмом (отсюда и часовая терминология), для регистрации малых приращений, с небольшим встроенным циферблатом и стрелкой для регистрации количества оборотов стрелки на основном циферблате. Циферблат имеет мелкую градуировку для точных измерений. Пружинный щуп (или пуансон) перемещается перпендикулярно к испытываемому объекту, выдвигаясь или втягиваясь из корпуса индикатора. Циферблат можно поворачивать в любое положение, что используется для ориентации циферблата к пользователю, а также для установки нулевой точки. Также предусмотрены ограничительные индикаторы (две металлические пластины, видимые на правом изображении, в положениях 90 и 10 соответственно), которые можно вращать вокруг циферблата в любое требуемое положение. Также может быть предусмотрен рычаг, облегчающий втягивание щупа индикатора. Монтаж индикатора может осуществляться несколькими способами. Многие индикаторы имеют монтажное ухо с отверстием для болта, являющееся частью задней пластины. В качестве альтернативы устройство можно удерживать цилиндрическим стержнем, направляющим пуансон с помощью патрона или специального зажима, что обычно используется в инструментах, предназначенных для интеграции индикатора в качестве основного компонента, таких как толщиномеры и компараторы. Наиболее распространенные внешние диаметры стержня составляют 3/8 дюйма и 8 мм, хотя существуют и другие диаметры. Некоторые производители также предлагают крепления типа "ласточкин хвост", совместимые с индикаторами часового типа.

Показатель испытаний на циферблатах

Индикатор-указатель, также известный как рычажный индикатор или индикатор-палец, имеет меньший диапазон измерений, чем стандартный индикатор-циферблат. Индикатор измеряет отклонение рычага, щуп не втягивается, а перемещается по дуге вокруг точки крепления. Рычаг может быть заменен для изменения длины или диаметра шарика, что позволяет проводить измерения в узких пазах и небольших отверстиях, куда корпус щупового типа не достанет. Представленная модель двунаправленная, в некоторых типах может потребоваться переключение с помощью бокового рычага для измерения в противоположном направлении. Эти индикаторы фактически измеряют угловое перемещение, а не линейное; линейное расстояние соотносится с угловым перемещением на основе соответствующих переменных. Если причина движения перпендикулярна пальцу, то погрешность линейного смещения в пределах диапазона индикатора приемлемо мала. Однако эта погрешность становится заметной, когда причина отклоняется от идеальных 90° на 10°. Это называется косинусной погрешностью, поскольку индикатор регистрирует только косинус движения, в то время как пользователя, вероятно, интересует результирующий вектор перемещения. Косинусная погрешность рассматривается более подробно ниже. Контактные наконечники индикаторов-указателей чаще всего имеют стандартный сферический наконечник диаметром 1, 2 или 3 мм. Многие изготовлены из стали (легированная сталь или быстрорежущая сталь); более дорогие модели изготавливаются из карбидов (например, карбида вольфрама) для повышения износостойкости. В зависимости от применения доступны другие материалы для контактных наконечников, такие как рубин (высокая износостойкость) или тефлон или ПВХ (для предотвращения царапин на детали). Они дороже и не всегда доступны в качестве опций OEM, но чрезвычайно полезны в приложениях, где они необходимы. Современные индикаторы-указатели обычно крепятся с помощью встроенного хвостовика (справа на изображении) или специального зажима, который фиксирует ласточкин хвост на корпусе индикатора. Некоторые инструменты могут использовать специальные держатели.

Показатель испытаний

До появления современных механизмов с зубчатым циферблатом, широко использовались испытательные индикаторы с одним рычагом или системами рычагов. Диапазон и точность этих устройств, как правило, уступали современным индикаторам с циферблатом, имея диапазон от 10/1000 дюйма до 30/1000 дюйма и типичную точность 1/1000 дюйма. Одним из распространенных индикаторов с одним рычагом был Starrett (No. 64), а индикаторы, использующие системы рычагов для усиления, производились компаниями Starrett (No. 564) и Lufkin (No. 199A), а также более мелкими компаниями, такими как Ideal Tool Co. Компания Koch также выпускала устройства, которые можно было использовать как рычажный индикатор или индикатор с плунжером.

Цифровой индикатор

С появлением электроники, циферблат был заменен в некоторых индикаторах цифровыми дисплеями (обычно ЖК-дисплеями), а часовой механизм – линейными энкодерами. Цифровые индикаторы обладают рядом преимуществ по сравнению с аналоговыми. Многие модели цифровых индикаторов способны записывать и передавать данные в электронном виде на компьютер через интерфейс, такой как RS 232 или USB. Это упрощает статистический контроль процесса (SPC), поскольку компьютер может регистрировать результаты измерений в табличный набор данных (например, таблицу базы данных или электронную таблицу) и анализировать их (путем проведения статистического анализа). Это избавляет от необходимости ручной записи длинных столбцов чисел, что не только снижает риск внесения ошибок оператором (например, перестановки цифр), но и значительно повышает производительность процесса, освобождая человека от трудоемких задач записи и копирования данных. Другое преимущество заключается в том, что они могут переключаться между метрической и дюймовой системами единиц одним нажатием кнопки, что исключает отдельный этап преобразования единиц измерения с использованием калькулятора или веб-браузера и последующей записи результатов.

Наконечники индикатора (капли) штанги

На индикаторах с наконечниками, наконечник зонда обычно можно заменить на различные формы и размеры в зависимости от области применения. Обычно наконечники крепятся либо резьбой #4-48, либо резьбой M2.5. Сферические наконечники часто используются для обеспечения точечного контакта. Цилиндрические и плоские наконечники также применяются по мере необходимости. Игольчатые наконечники позволяют вводить наконечник в небольшие отверстия или прорези. Дополнительные комплекты наконечников продаются отдельно и стоят недорого, поэтому даже индикаторы, не имеющие в комплекте наконечников, можно дополнить новым набором.

Наконечники индикатора испытаний на циферблатах

Диагональные индикаторы, у которых наконечники перемещаются по дуге, а не линейно, обычно имеют сферические наконечники. Эта форма обеспечивает точечный контакт, позволяя проводить последовательные измерения по мере перемещения наконечника по дуге (за счет постоянного смещения расстояния от поверхности шара до центральной точки, независимо от угла контакта шара с измеряемой поверхностью). В продаже предлагаются различные диаметры сфер; стандартными размерами являются 1 мм, 2 мм и 3 мм. Несмотря на упомянутое выше преимущество (отсутствие влияния угла контакта) самой сферы, угол контакта рычага в целом имеет значение. На большинстве индикаторов необходимо, чтобы он был параллелен (0°, 180°) измеряемой поверхности для обеспечения истинной точности измерения, то есть чтобы величина показания циферблата отражала истинное расстояние перемещения наконечника без ошибки косинуса. Иными словами, траектория движения наконечника должна совпадать с измеряемым вектором; в противном случае измеряется только косинус вектора (что приводит к ошибке косинуса). В таких случаях индикатор может быть полезен, но для получения корректного измерения (когда требуется абсолютное, а не просто сравнительное значение) необходимо применить поправочный коэффициент (множитель или фактор коррекции). (Это относится к углу между рычагом и деталью, а не к углу между рычагом и корпусом индикатора, который регулируется на большинстве моделей). Тот же принцип применяется и к тактильным зондам с триггером координатно-измерительных машин (КИМ), где машина (при правильном использовании) корректирует компенсацию смещения шара, учитывая разницу между вектором подхода и вектором поверхности. Некоторые индикаторы (например, серия Interapid и ее аналоги) имеют встроенную конструктивную особенность, при которой угол наклона 12° (между рычагом и измеряемой поверхностью) соответствует нулевой ошибке косинуса. Это удобно для пользователя, так как позволяет шару не касаться корпуса индикатора, что облегчает перемещение прибора по поверхности. Замена наконечника диагонального индикатора сложнее, чем наконечника индикатора сравнительного типа, поскольку длина наконечника-рычага точно соответствует механизму внутри индикатора, и длина дуги его перемещения имеет известное соотношение с шестернями, приводящими в движение стрелку циферблата. Следовательно, для установки более длинного или короткого наконечника требуется поправочный коэффициент, умножаемый на показание циферблата для получения истинного значения расстояния. Наконечники индикаторов часто имеют резьбу для замены (как у индикаторов сравнительного типа) и небольшие плоские грани для использования гаечного ключа; однако замена наконечников пользователем рекомендуется только для тех, которые поставлялись с индикатором изначально, из-за важности точной длины. Обычно индикатор поставляется с несколькими наконечниками, например, с маленьким и большим шариками. Ни одно из вышеперечисленных соображений (ошибка косинуса или ошибка длины рычага) не имеет значения, если показания циферблата используются только для сравнительных измерений (а не абсолютных). Однако предотвращение путаницы между сравнительными и абсолютными измерениями зависит от знаний и внимания пользователя, а не от самого прибора, поэтому ремонтники индикаторов обычно не сертифицируют точность индикатора, который не может обеспечить точное абсолютное измерение, даже если он идеально подходит для сравнительного использования. Такой индикатор все еще может быть сертифицирован (и промаркирован) для сравнительного использования, но из-за риска ошибки пользователя правила калибровки на машиностроительных предприятиях либо требуют маркировки "только для сравнительного использования" (если пользователям можно доверять понимание и соблюдение этого требования), либо требуют изъятия индикатора из эксплуатации (если это невозможно).

Dial test indicators, whose tips swing in an arc rather than plunging linearly, usually have spherical tips. This shape gives point contact, allowing for consistent measurements as the tip moves through its arc (via consistent offset distance from ball surface to center point, regardless of ball contact angle with the measured surface). Several spherical diameters are commercially offered; 1mm, 2mm, and 3mm are the standard sizes. Despite the advantage just mentioned (regarding contact angle irrelevance) of the ball (sphere) itself, the contact angle of the lever overall does matter. On most DTIs it must be parallel (0°, 180°) to the surface being measured in order for the measurement to be truly accurate, that is, for the magnitude of the dial reading to reflect the true tip movement distance without cosine error. In other words, the path of the tip's movement must coincide with the vector that is being measured; otherwise, only the cosine of the vector is being measured (yielding the error called cosine error). In such cases the indicator may still be useful, but an offset (multiplier or correction factor) must be applied to achieve a correct measurement (where the measurement is absolute rather than merely comparative). (This fact applies to the angle between the lever and the part, not to the angle between the lever and the DTI body, which is adjustable on most DTIs.) The same principle is also employed with CMM touch trigger probes (TTPs), where the machine (when used correctly) adjusts its ball offset compensation to account for any difference between the approach vector and the surface vector. Some DTIs (such as the Interapid line and its competitors) are made with a built in allowance such that a 12° tip angle (between the lever and the surface being measured) is the angle that corresponds to zero cosine error. This is a great convenience to the user because of the practicality of having the ball being clear of the indicator body such that the unit may pass over a surface. Changing the tip of a DTI is not as simple an affair as changing the tip of a drop indicator, because the tip, being a lever, has its length precisely matched to the clockwork inside the indicator, so that the length of the arc of its extremity's movement has a known ratio to the gears that drive the dial's needle. Thus to add a longer or shorter tip requires a correction factor to be multiplied with the dial reading in order to yield a true distance reading. DTI tips are often threaded for interchange (like drop indicator tips), with small flats to accept a spanner; but the intent regarding user serviceable tip change is limited only to the tips that originally came with the indicator, because of the above mentioned importance of the length. Typically a DTI comes with only a few tips, such as a small ball tip and a large ball tip. Neither of the above considerations (cosine error or lever length error) matters if the dial reading is being used only comparatively (rather than absolutely). But the avoidance of mistakes of the comparative versus absolute confounding type rests with the knowledge and attention of the user, rather than with the instrument itself, and thus repairers of DTIs usually will not certify the accuracy of a DTI that cannot offer an accurate absolute measurement—even if it is perfectly good for comparative use alone. Such a DTI could still be certified (and labeled) for comparative use only, but because risk of user error is involved, gauge calibration rules in machine shops either demand a "comparative use only" label (if the users can be trusted to understand and follow it) or demand that the indicator be removed from service (if not).