нутромер

Формула изобретения

НУТРОМЕР, содержащий полый цилиндрический корпус, размещенные на его концах соединительные муфты, микрометрическую головку, закрепленную на одной из муфт, соединенные с другой муфтой и между собой удлинители, измерительный наконечник, взаимодействующий с одним из удлинителей, и размещенный в полости корпуса составной по длине измерительный стержень, один конец которого предназначен для взаимодействия с микрометрической головкой, а другой - с измерительным наконечником, отличающийся тем, что он снабжен соосными втулками, размещенными в соединительных муфтах, предназначенными для размещения в них концов составного измерительного стержня, и упругими в осевом и радиальном направлениях элементами, одни концы которых закреплены в соединительных муфтах, а другие взаимодействуют с составным измерительным стержнем в месте расположения втулок.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения линейных величин, к приборам с механическим принципом измерения.

Для измерения внутренних линейных размеров (диаметров) свыше 50 применяются нутромеры, имеющие измерительную головку, измерительный наконечник и комплект удлинителей. Нутромеры с пределом измерения до 1250 мм имеют микрометрическую измерительную головку. К нутромерам с пределом измерения свыше 1250 мм дополнительно прилагается насадка с индикатором часового типа, привинчиваемая к крайнему удлинителю вместо жесткого измерительного наконечника. В другой конструкции нутромера индикаторная головка конструктивно объединена с микрометрической. Индикаторная головка служит для уменьшения погрешности измерения. Предел допускаемой погрешности для такой головки устанавливают 0,01 мм. Измерительный наконечник нутромера имеет стержень, как правило, армированный твердым сплавом, со сферической поверхностью. Эта поверхность при измерении контактирует с поверхностью детали. На корпусе измерительного наконечника выполнена резьба, которая служит для его соединения с измерительной головкой или удлинителем. Для расширения диапазона измеряемых размеров используют комплект удлинителей, имеющих длину 25 - 2000 мм. Каждый удлинитель состоит из цилиндрического корпуса, гайки, измерительного стержня с насаженной на нем пружиной. Корпус удлинителя предназначен для крепления измерительного стержня и защиты стержня от внешних воздействий. Корпус имеет с одного конца наружную резьбу и базирующее центральное отверстие для измерительного стержня. С другого конца корпуса выполнена внутренняя резьба, в которую ввинчивается гайка, а ее центральное отверстие служит для базирования второго конца стержня. Измерительный стержень является носителем размера и имеет доведенные торцы. Погрешность изготовления длины измерительных стержней (0,0015. . . 0,002) мм. Перед началом измерения свинчивают измерительную головку с наконечником. По установочной мере настраивают измерительную головку на ноль. После настройки отвинчивают наконечник и к головке присоединяют необходимое количество удлинителей, а затем к последнему удлинителю присоединяют наконечник.

Известен нутромер, содержащий микрометрическую головку с индикатором, удлинители с измерительными стержнями и наконечник. В такой конструкции удлинителей один конец стержня базируется в радиальном направлении в отверстии одного корпуса, а с другой конец этого стержня - в отверстии другого корпуса. Из-за погрешности изготовления элементов корпуса удлинителя (привалочных торцов, резьб, отверстий) при свинчивании корпусов возникают радиальные и угловые смещения стержней, вследствие этого оси измерительных стержней не выстраиваются в прямую линию, что приводит к увеличению погрешности измерения нутромером. Для обеспечения требуемой точности измерения (предел допускаемой погрешности нутромера по ГОСТ 10-88 на длине 4000 мм 0,075 мм) при изготовлении корпусов необходимо выполнить довольно жесткие требования по перпендикулярности привалочных торцов в общей оси резьбовых поверхностей, по соосности резьбовых поверхностей 4 и базирующих отверстий в корпусе.

Дальнейшее снижение погрешности измерения за счет ужесточения технических требований к изготовлению нутромера в условиях современного производства оказывается довольно сложным.

В основу изобретения положена задача создать нутромер, имеющий такую конструкцию, которая позволила бы без ужесточения требований на изготовление корпусов удлинителей снизить погрешность измерения.

Эта задача решается за счет того, что в нутромере, включающем измерительную головку, удлинители с измерительными стержнями и наконечник, измерительные стержни нутромера соосно соединены друг с другом цилиндрическими втулками и установлены по оси корпусов удлинителей посредством упругих в осевом и радиальном направлениях элементов.

Сущность заявляемого решения состоит во введении по отношению к прототипу новых элементов и новых взаимосвязей. Введены цилиндрические втулки, которые повышают точность сопряжения стержней, также упругие элементы, поддерживающие стержни и не препятствующие к выстраиванию всех стержней в одну прямую линию. Это позволит без увеличения затрат на механическую обработку деталей нутромера обеспечить значительное повышение точности измерений и уменьшение предела допускаемой погрешности (расчет погрешности измерения приведен ниже).

На фиг. 1 изображен предлагаемый нутромер, общий вид; на фиг. 2 - взаимодействие стержней в процессе измерения; на фиг. 3 - условная схема для расчета погрешностей измерения; на фиг. 4 - сопряжение двух стержней посредством цилиндрической втулки.

Нутромер (фиг. 1) содержит микрометрическую головку с индикатором 1, два удлинителя 2 (в сборе с измерительными стержнями 3) и наконечник 4. Корпуса удлинителей, входящие в комплект прибора, имеют одинаковую конструкцию (отличаются только длиной корпуса и измерительного стержня) и состоят из муфты 5, штуцера 6 и соединительной трубы 7, которые соединены между собой с помощью резьбы. На конце стержня 3 со стороны штуцера напрессована втулка 8. Втулка 8 (фиг. 4) имеет ступенчатое внутреннее отверстие. Длина меньшей ступени отверстия составляет приблизительно 1/3 от длины втулки. На этой длине и производится неподвижное сопряжение с измерительным стержнем. Отверстие большей ступени втулки служит для сопряжения со стержнем головки или измерительным стержнем другого удлинителя. При этом сопряжение осуществляется с минимальным гарантированным зазором. Внутри муфты 5 (фиг. 1) помещен упругий элемент 9, который выполнен в виде спирально-конической пружины. Большим диаметром пружина помещается в канавку муфты 5, а малым диаметром насаживается на стержень 3 с упором в напрессованную на него втулку 8. Этот упругий элемент 9 обеспечивает центрирование стержня в корпусе и производит поджатие стержня к контакту головки или измерительному стержню другого удлинителя. Для предотвращения выпадания стержня из корпуса при нерабочем состоянии удлинителя предусмотрен штифт 10.

При подготовке нутромера к измерению отверстий больших диаметров или больших внутренних размеров (свыше 1250 мм для нутромера НМ-4000) измерительную головку комплектуют набором из нескольких удлинителей, соединенных последовательно. При свинчивании корпусов удлинителей между собой или удлинителя с головкой стержни между собой сопрягаются посредством цилиндрической втулки. Прессовая посадка втулки на одном из стержней и подвижная посадка на длине свыше двух диаметров с минимальным гарантированным зазором с другим стержнем обеспечивают высокую степень соосности соединяемых стержней и надежное контактирование их сферических торцов. Наличие втулки позволяет при сборке нутромера обеспечить самостоятельное базирование стержней друг по другу независимо от расположения в пространстве осей корпусов. Деформация упругого элемента в радиальном направлении не препятствует осям стержней выстраиваться по прямой линии.

Эффективность предлагаемого конструктивного решения состоит в том, что за счет устранения влияния погрешностей изготовления и сборки корпусов повышается точность измерения при использовании нутромера. Для количественной оценки эффекта повышения точности измерения анализируют механизм появления погрешностей, связанных со смещением оси стержней относительно линии измерения. На схеме (фиг. 2) условно показано расположение стержней в процессе измерения линейного размера L. Линия измерения OO^I проходит через точки контакта крайних сферических поверхностей стержней с поверхностью детали. Она проходит также через центры сфер О₁О₅^I сферических поверхностей.

Есть ось одного из крайних стержней принять за ось координат, то расположение в плоскости изгиба других стеpжней, имеющих определенную длину и радиус сферы, можно задать путем указания величины расстояния от центров сферических поверхностей до оси координат ₁ и ₂^I (фиг. 3). При использовании двух стержней линия измерения проходит через центры крайних сферических поверхностей О₁ и О₂^I. В этом случае ошибка измерения L определяется по формуле

L = L - L^I (1) где L - суммарная длина двух соосно расположенных стержней;

L^I - размер контролируемой поверхности.

Расписываем значения L и L^I , используя фиг. 3,

L = l₁ + l₂ (2)

L^I = R + O₁O₂^I + R, (3) где O₁O= (O₁M₂)²+(M₂O).

Используя формулу Тэйлора, с достаточной степенью точности можно записать

O₁O = O₁M1+ . (4)

Записываем О₁М₂ в виде суммы отрезков

O₁M₂ = O₁O₁^I + O₁^IK₂ + K₂M₂. (5)

Выражаем значения О₁О₁^I, О₁^IК и К₂М₂ и заменяем К₂О₂ на ₂ иM₂O₂^Iнa ₂^I

O₁O₁^I = l₁ - 2R . (6)

OK₂= (2R)²-(K₂O₂)= 2R1- = 2R- (7)

K₂M₂= (l₂-2R)²-(-₂)= l₂-2R)(1 - =

= l₂-2R - (8)

Подставляем (6), (7) и (8) в (5)

O₁M₂= (l₁-2R)+(2R - )+l₂-2R- =

= l₁+l₂-2R- - (9)

Подставляем (9) в (4)

0₁0= l₁+l₂- - 2R- - (10)

Подставляем (10), (2) и (3) в (1)

L = + - (11)

Если в знаменателе третьего члена в зависимости 11 отбросить величины второго порядка малости, получаем

L = + - (12)

Если в измерении участвует большее число измерительных стержней, то расчет погрешности выполняется по аналогичной методике. При этом за ось координат принимают линию измерения ОО^I. Тогда в формуле (12) вместо ₂ и ₂^I подставляют значения ₃ и ₃^I, соответствующие расстоянию третьего стержня от оси координат.

Суть предлагаемой конструкции нутромера сводится к тому, что за счет введения втулки удается величину ₂ по сравнению с прототипом значительно уменьшить. В прототипе величина ₂ зависит от соосности корпусов, которая определяется многими технологическими факторами. После свинчивания нутромера-прототипа отплонение от соосности стержня получается в пределах 0,1-0,2 мм. В предлагаемой конструкции отклонение от соосности стержней может быть в пределах зазора между стержнем и втулкой, т. е. в пределах 0,03 мм. У нутромера-прототипа влияние второго и третьего членов уравнения (12) проявляется из-за отклонения от перпендикулярности привалочных торцов корпусов. Отклонение от перпендикулярности колеблется в пределах 10^-2 - 10^-3 раз.

В предлагаемой конструкции влияние второго и третьего члена уравнения зависит от величины допуска на изготовление стержней и отверстия втулки, а также длины направляющей.

В качестве примера рассчитывают погрешность нутромера-прототипа при следующих исходных данных, мм: l₁ = 300; l₂ = 500; R = 50; ₂ = 0,15;

= = 510^-3 , отсюда = ₂+510^-3(l₂-2R), = 2,15 мм, L = + - = 210^-3мм.

Рассчитываем погрешность предлагаемой конструкции. Пользуемся фиг. 3 и 4

= = = = = 210^-3рад где a = 2d - = 2d = 2Д_cт, Д_отв-Д_cт = 0,03 мм, = ₂+(l₂-2R) = 0,02+210^-3400 = 0,82; Д_ст = 8мм L = + - L= 2 10^-6 + 0,08 10^-2 - 0,056 10^-2 = = 0,24 10^-3 мм.

Из сравнения результатов расчета погрешности измерения, возникающей из-за смещения стержней от линии измерения (у прототипа и предлагаемой конструкции), видно, что максимально возможное смещение у прототипа L = 2 10^-3 мм, у предлагаемой конструкции - L = 0,24 10^-3 мм, т. е. в 10 раз меньше, чем у прототипа.

При увеличении количества стержней, участвующих в измерении, эффект повышения точности измерения значительно больше. Это подтверждает преимущество предлагаемой конструкции.

Изобретение может быть использовано при создании приборов для измерения размеров в машиностроении, строительстве, монтажных и ремонтных работах в различных отраслях. (56) Рубинов А. В. Контроль больших размеров в машиностроении. Справочник. Л. : Машиностроение, 1982, с. 216.

Нутромер микрометрической с индикаторной головкой НМ-4000 и НМ-6000. Паспорт 41Л3, 1990, с. 9, рис. 5.