CC BY
150
УДК 531.7
РО!: 10.25206/1813-8225-2018-160-140-145
Е. В. НИКОЛАЕВА М. Ю. НИКОЛАЕВ А. С. МОЛОДЦОВ Н. Е. ПИМНЕВА М. В. КАЗАКОВ
Омский государственный технический университет, г. Омск
ИЗМЕРЕНИЕ ЗУБЧАТЫХ КОСОЗУБЫХ ШЕСТЕРНЕЙ И ЧЕРВЯЧНЫХ КОЛЕС НА КООРДИНАТНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ МАШИНЕ
Разработана и внедрена новая методика измерений геометрических характеристик деталей сложной криволинейной формы на координатно-измеритель-ной машине КИМ-1000 российской фирмы «Лапик». Новая методика позволяет измерить основные параметры косозубых зубчатых колес и червячных пар с высокой точностью до 2 мкм. Контроль и измерение геометрических характеристик деталей возможны не только с винтовой, но и с резьбовой и прерывистой поверхностью. Полученная экспериментальная методика измерений на координатно-измерительной машине позволяет исключить все многообразие низкопроизводительного ручного инструмента и оборудования, повысить точность и эффективность. Внедрение автоматического измерения на координатно-измерительной машине позволяет исключить ряд субъективных погрешностей оператора.
Ключевые слова: координатно-измерительные машины, зубчатые колеса, червячные колеса, ходовые винты, резьбовые детали, экспериментальная методика измерений.
Введение. Измерение и контроль деталей на производстве должны быть точными, быстрыми и, по возможности, автоматизированными. Эта одна из самых сложных задач машиностроительного инструментального производства. В настоящее время в инструментальном производстве остро стоит вопрос измерения деталей с винтовой и прерывистой поверхностью — это резьбовые калибры, метчики, ходовые винты, косозубые шестерни и колеса, а также червячные колеса и червяки.
До настоящего времени весь контроль основных параметров зубчатых колес осуществлялся большим количеством измерительных приборов, таких как шагомеры для окружного и углового шага, шагомеры для основного шага, нормалемеры, межцентромеры, биениемеры, эвольвентомеры, ходомеры, зубомеры и др. [1, 2].
Постановка задачи. Вопрос измерения основных параметров резьбовых деталей, таких как среднего диаметра, внутреннего диаметра для гаек, шага резьбы, угла подъема винтовой линии до настоящего времени полностью не решен. До сих пор все измерения осуществляются низкопроизводительными универсальными инструментами, такими как микрометр со вставками, резьбовые калибры. В лабораториях контроль проводится на инстру-
ментальных и универсальных микроскопах, а также на микрометрах методом трех, двух и одной проволочки с введением большого количества поправок и наличия поправочных коэффициентов [3].
Точность ходовых винтов зависит от точности наружного, среднего и внутреннего диаметров винтов, отклонения от цилиндричности, отклонения от круглости и от профиля продольного сечения поверхности, отклонения от соосности, угла профиля и шага контролируемой резьбы, а измерение и контроль осуществляется профильными шаблонами, скобами с отсчетным устройством, приборами для контроля погрешности шага и специальными измерительными микроскопами.
Теория. Червячное колесо отличает то, что у него только две свободные поверхности — торцы цапф, все остальные поверхности — рабочие [4]. Основными конструкторскими базами, определяющими положение обобщенной системы координат детали, являются обе цапфы, оба торца червячного колеса и эвольвентный профиль зуба. Исполнительной поверхностью ИП является наружный диаметр зубьев шестерни. Выполнение деталью своего служебного назначения зависит от правильности отсчета первичных погрешностей, представленных на геометрической модели (рис. 1), с последующим
Рис. 1. Геометрическая модель червячного колеса
ограничением погрешностей допускаемыми отклонениями. Несмотря на различие с деталями другого служебного назначения, предопределяет идентичность состава их первичных погрешностей. Однако различие деталей может по-разному влиять на функциональное назначение однотипных размеров. Если у вала-шестерни размер Ъд±ЕЪд между плоскими элементами координирует по оси Ъ положение присоединяемой шестерни, то у вала-шестерни аналогичный размер Х4 — ЕХ4 между плоскими элементами определяет высоту призматического элемента, который должен образовать посадку с зазором, с размером глубины колодца в корпусе насоса. Очевидно, что на характер посадки будут влиять и отклонения формы ЕБ4 и ЕБ5 и угловые перекосы ЕХ4 и ЕХ5 плоских элементов шестерни от прямых углов относительно общей оси цапф — Ъ.
Основной элемент шестерни — групповой зубчатый с эвольвентным профилем — имеет большое количество первичных погрешностей, однако положение элемента определяет ось делительного цилиндра Так же как и ось цилиндрического элемента, она будет иметь эксцентриситет Х6 и угловой перекос ЕХ6 относительно общей оси баз Ъ. Следует обращать внимание, что ось наружного диаметра зубьев ^ — Е^ не совпадает с осью делительного цилиндра и имеет свой эксцентриситет Х3 и угловой перекос ЕХ3.
При построении геометрической модели без ущерба для выявления ее первичных погрешностей можно не наносить все оси собственных систем координат элементов, ограничиваясь только осями и плоскостями симметрии.
Контроль червячных передач можно разделить на три этапа: раздельный контроль колеса и червяка после их окончательной обработки, контроль комплекта (пары) колеса и червяка перед сборкой, контроль червячной передачи в собранном агрегате. У червячного колеса контролируют: погрешность шага, накопленную погрешность шага, толщину зуба, форму и расположение пятна контакта в паре с червяком. Контроль осуществляют на специальных приборах в однопрофильном зацеплении с сопряженным червяком или специальным эталоном.
Рис. 2. Координатно-измерительная машина КИМ-1000 «Лапик»
Рис. 3. Червячное колесо
ЖдгмлГска [р-кцирМич
4
Л П
41
V Й
■Н
Пп№№ЕТь
I 1П_1
■ ни _ иРи
— Ваи Ппи □сл.5
ГЪяда
Пиу
□ ИН_3
ВТ—а
.'Г''" 1
СДЯлГ
Ц#НГр1йШ#ГТН ККЩММЧЧ)
СилюМ алвмкнг ЧЦ1 ю ГЕ.Щ£у П ер п н ы н зл ! м ент
ПлраплсяькнЛ ПиI ЬI'л>:
*
Плкнкт»
Сф*р+
Цилиндр
Ком/е
Точ»
Пряма*
Оружис-сп,
Эммн
т.р
Рис. 6. Построение центра осей координат
Погрешность окружного шага червячного колеса чаще всего определяют специальным прибором непосредственно на зуборезном станке в процессе нарезания зубьев.
У червяка контролируют: форму профиля, погрешность угла подъема витка, шаг между витками, толщину зуба, радиальное биение. Измерение чаще всего проводятся на эвольвентомере и шагомере. Пятно контакта и кинематическую точность червячной передачи в однопрофильном зацеплении проверяют на специальном контрольном приборе с электронным и записывающим устройством при номинальном межосевом расстоянии [5—7].
Из перечисленного выше видно, какое большое количество приборов и методик измерений требуется в инструментальном производстве, причем погрешность измерения должна составлять (1...4) мкм.
В настоящее время самыми высокоточными (до 1 мкм) и быстрыми приборами являются коорди-натно-измерительные машины (КИМ) [8—12] (рис. 2).
Такая машина позволяет исключить наличие всего многообразия низкопроизводительного и невысокоточного оборудования.
Правильно разработанная методика измерений на КИМ дает возможность заменить ручной труд оператора или контроллера и провести массовые измерения.
Шестиосевая КИМ способна произвести измерения деталей в «мертвых зонах», что характеризует машину как универсальную. КИМ имеет дополнительную, к возможностям портальных машин, функцию шестимерного «ощупывания», позволяющую производить: измерение внутренних полостей;
Рис. 7. Базировка машины
узких криволинейных каналов и наклонных отверстий; сканирование сложной формы с заданным углом контакта; контроль небольших изделий (или фрагментов больших) с погрешностью в 2 — 3 раза меньше паспортной и другие измерения, доступные только шестиосевым машинам. КИМ «Лапик» оснащена сканирующим датчиком ЯР25М немецкой фирмы «ЯешзЬаэд». Преимуществом сканирующего алгоритма измерений является возможность сбора за короткое время большего объема информации с измеряемой поверхности, чем при использовании переключающего датчика. Это дает возможность более объективно контролировать измеряемые поверхности.
Результаты внедрения. Рассмотрим один из самых сложных вопросов измерений — это измерение эвольвенты и угла профиля архимедова червячного колеса (рис. 3), и построим алгоритм
& лстлк ПРОТОКОЛ ИЗМЕРЕНИЙ Вял - Вал
Чертеж: Вал новый - вал Щ/п: TP200 ! 0,995
КИМ-750 06.03.2018 15:08:01 Проект: San - Вал Температура: 20,0 °С
комментарий: Измерение №: 1
V
Кривая CURVE_1
очка на плоскости : ектор нормали :
\1
0.00000, 0.00000,
О.00000, -О . 00000,
0.00000 1.00000
Кривая CURVE_2
№ X Y Z d № X V Z d
1 1.54791) -5.88207 54.45799 0.00000 26 0.90909 0.19(157 64.00070 0.00000
2 1.495211 -5.38В93 54.54584 о.ооооо 27 0.85779 0.68247 63.99843 0.00000
3 1.43926 -Ï.85346 54.87643 о.ооооо 28 0.80533 1.17524 63.98871 0.00000
4 1.38959 -4.38703 55.44896 о.ооооо 29 0.7560!) 1.65639 63.54457 о.ооооо
5 1.36321 ^.12369 56.12137 0.00000 30 0.76523 1.57592 63.19590 О.ОООШ
6 1.35182 -t.01701 56.74751 0.00000 31 0.75254 1.68348 62.88889 0.00000
7 1.34546 -3.95621 57.29912 0.00000 32 0.73095 1.88574 62.44311 о.ооооо
8 1.33791) -3.88149 57.80178 о.ооооо 33 0.71013 2.07918 61.99359 о.ооооо
9 1.32979 -3.80246 58.27287 о.ооооо 34 0.69160 2.26847 61.54130 О.ОООШ
10 1.32014 -3.70177 58.75488 о.ооооо 35 0.67146 2.44744 61.08048 0.00000
11 1.30653 -3.58652 59.22106 0.00000 36 0.65630 2.61357 60.62212 0.00000
12 1.29068 -3.46125 59).68752 0.00000 37 0.63835 2.77323 60.16094 0.00000
13 1.27800 -3.32510 611.15699 0.00000 38 0.62225 2.92311 59.69175 0.00000
14 1.2641)6 -3.17622 611.62427 0.00000 39 0.60858 3.05650 59.22281 0.00000
15 1.24738 -3.01609 61.08412 0.00000 40 0.59576 3.17835 58.75431 0.00000
16 1.22770 -2.84963 61.54055 о.ооооо 41 0.58401 3.29140 58.27846 0:00000
17 1.21029 -2.67231 62.00017 0.00000 42 0.57387 3.38489 57.79906 0.00000
18 1.19062 -2.48641 62.45454 о.ооооо 43 0.56823 3.45840 57.32441 0.00000
19 1.17054 -2.29047 62.90306 0.00000 44 0.55908 3.52002 56.84659 0.00000
20 1.14875 -2.1)9230 63.34826 0.00000 45 0.55175 3.58338 56.36275 0.00000
21 1.12755 -1.87922 63.79639 о.ооооо 46 0.54046 3.70175 55.87389 0.00000
22 1.09555 -1.57547 64.10989 0.00000 47 0.51407 3.95036 55.36487 0.00000
23 1.02603 -0.91354 64.17942 0.00000 48 0.46593 4.41172 54.90705 0.00000
24 1.00892 -0.75430 63.99675 о.ооооо 49 0.39410 5.08813 54.64364 0.00000
25 0.96122 -0.30231 63.99919 о.ооооо 50 0.31989 5.80216 54.49381 0:00000
Рис. 8. Протокол измерений
измерений. Измерения будем проводить в трех сечениях одного зуба червячного колеса на «шести-осевой» координатно-измерительной машине «Ла-пик» (г. Саратов, Россия).
Алгоритм измерения основных параметров червячного колеса на КИМ состоит в следующем:
1. Производим запуск координатно-измеритель-ной машины «Лапик».
2. Запускаем программу SAM/ISO.
3. Проводим стартовую калибровку координат-но-измерительной машины, соблюдая температурный режим.
4. Калибруем щуп.
5. Создаем проект.
6. Выбираем марку материала.
7. Устанавливаем измеряемую деталь (червячное колесо) на призмы (рис. 4), расположенные на столе координатно-измерительной машины. Измеряемая деталь устанавливается в центре рабочей зоны стола.
8. Измеряем базовый цилиндр (CYL 1) и проводим через него ось координат Х (рис. 5).
9. Измеряем плоскости (PL1) и (PL2). Расстояние между плоскостями (PL1) и (PL2) делим пополам и проводим ось координат Y, перпендикулярную оси Х.
10. Между плоскостями (PL1) и (PL2) проводим паз-блок (PARPLN 1).
11. Пересекаем базовый цилиндр (CYL 1) и паз-блок (PARPLN 1), получается точка (PNT 1). Точка (PNT 1) является началом осей координат измеряемой детали (рис. 6).
12. Через точку (PNT 1) и середину плоскостей (PL 1) и (PL 2) проводим линию (LIN 1) — это будет ось Z.
13. Снимаем показания с верхней окружности измеряемого колеса.
В случае, если деталь косозубая, ее необходимо повернуть на заданный угол, для этого 360 делим на количество зубьев измеряемого колеса.
14. Завершаем базировку машины (рис. 7).
15. Вводим корреляцию щупа для исключения дополнительной погрешности.
16. Поворачиваем ось Х на угол подъема винтовой линии зуба и снимаем показания л-количества точек в программе Zond.
17. Выбираем вектор нормали с плоскостью сечения.
18. Выбираем шаг перемещения щупа.
Все измерения проводим относительно СКД (системы координат детали), а не СКМ (системы координат машины).
19. Определяем число сечений, направления касания и направления движения головки. Производим настройку и снимаем показания точек по осям Х, Y, Z.
Таким образом, мы получаем множество точек измерений (рис. 8), имея координаты Х, Y, Z.
20. Проводим корреляцию щупа. Это даст возможность исключить погрешность радиуса шарика щупа.
21. Полученные координаты точек сохраняем в EXCEL.
Из протокола измерений (рис. 8) можно увидеть температуру, при которой проводились измерения, номер щупа, количество измерений, применяемую измерительную головку, время и дату измерений.
По результатам протокола измерений, имея координаты точек, мы можем в КОМПАСЕ построить 3Б модель измеряемой детали и сделать сборочный чертеж.
Разработанная методика измерений дает возможность автоматизировать весь процесс измерений, тем самым исключить множество измерений на специализированных низкопроизводительных универсальных приборах и инструментах. Определить и построить эвольвенту и угол профиля архимедова червяка с погрешностью (2...3) мкм. Разработанная методика измерений позволяет выбирать любое количество сечений измеряемой детали и проводить измерения с любым шагом измерений.
Предложенная методика измерений также позволяет провести процесс измерений не только архимедова червяка, но и косозубого зубчатого колеса. Также, по аналогии, можно провести измерения любых деталей с наружной резьбовой поверхностью, типа ходового винта или метчика. Только в случае с резьбовыми деталями необходимо правильно подобрать диаметр шарика измерительного щупа (например, равным среднему диаметру измеряемой резьбовой поверхности детали — для деталей с метрической резьбой) и развернуть измерительную головку щупа на угол подъема винтовой линии.
При измерении резьбовых деталей с мелким шагом необходимо заменить процесс измерения полуавтоматического режима и программы 2оп<3 на измерения в ручном режиме оператором.
Обязательным условием при работе с резьбовыми деталями необходима установка измерительной головки «Renishaw». В случае с зубчатыми колесами возможно измерение как измерительной головкой «Lapik», так и «Renishaw».
Внедренная 3Б модель и построенный рабочий чертеж измеряемой детали дает возможность разработать конструкторско-технологическую документацию на измеряемую деталь и процесс. Полученные в процессе измерения показания дают возможность рассчитать основные геометрические параметры измеряемой детали, такие как модуль, число витков, число зубьев, делительный диаметр, межосевое расстояние, степень точности и др. в соответствии с ГОСТом как на детали российского производства, так и импортного.
Выводы и заключение. Увеличение требований к качеству зубчатых и червячных колес, резьбовых деталей ведет к непрерывному совершенствованию и усложнению методов и методик их проектирования, технологий изготовления, средств и методов контроля. Представленный выше алгоритм и методика измерения основных параметров архимедова червячного колеса позволяет повысить точность и производительность. Также появляется возможность исключить многообразие специализированных универсальных низкопроизводительных приборов и производить измерения всех необходимых параметров с помощью одной измерительной машины и одного оператора. Благодаря автоматическому управлению КИМ исключается субъективная погрешность самого оператора, так как режим автоматического управления обеспечивает движение рабочего органа по траектории, заданной в управляющей программе.
Предложенный алгоритм и методика измерения позволяют проводить контроль и высокоточные измерения геометрических параметров изделий и деталей любой сложности; определять квалитет, степень точности, допуски формы и расположения поверхности; провести по полученной 3D модели и рабочему чертежу метрологическую экспертизу конструкторской, технической и метрологической документации.
Библиографический список
1. Сурков И. В., Мягкова М. В. Применение КИМ для контроля линейно-угловых параметров в машиностроении // Оборудование и инструмент. 2007. № 5 (93). С. 86 — 89.
2. Тайц Б. А. Точность и контроль зубчатых колес. М.: Машиностроение, 1972. 368 с.
3. Николаева Е. В. Повышение точности и производительности резьбошлифования на основе разработанных метода и средств для измерения параметров наружных резьб: дис. ... канд. техн. наук. Омск, 2006. 139 с.
4. Glukhov V. I. Geometrical product specifications: Alternative standardization principles, coordinate systems, models, classification and verification // Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics), Nov. 11 — 13, 2014. Omsk, 2014. P 1-9. DOI: 10.1109/Dynamics.2014.7005655.
5. Тимофеев Б. П., Абрамчук М. В., Смирнов Д. С. Использование международных стандартов (ИСО) для повышения точности отечественных передаточных механизмов. СПб.: НИУ ИТМО, 2012. 92 с.
6. Тайц Б. А. Производство зубчатых колес. М.: Машиностроение, 1990. 464 с.
7. Веркович Г. А., Головенкин Е. Н., Голубков В. А. [и др.]. Справочник конструктора точного приборостроения / под общ. ред. К. Н. Явленского, Б. П. Тимофеева, Е. Е. Чаадаевой. Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1989. 792 с. ISВN 5-217-00416-9.
8. Surkov I. V. Development of methods and means of coordinate measurements for linear and angular parameters of cutting instruments // Measurement Techniques. 2011. Vol. 54, Issue 7. P. 758-763. DOI: 10.1007/s11018-011-9800-2.
9. Пекарш А. И., Феоктистов С. И., Колыхалов Д. Г. [и др.]. Координатно-измерительные машины и комплексы // Наука и технологии в промышленности. 2011. № 3. С. 36-48.
10. Ковальчук С. Н. Контроль зубчатых колес на коор-динатно-измерительной машине GLOBAL // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2014. № 5 (105). С. 124-126.
11. Сурков И. В., Мягкова М. В. Координатные измерения линейно-угловых параметров зубчатых колес // Оборудование и инструмент. 2007. № 6 (95). С. 2-6.
12. Taylor B. N., Kuyatt Ch. E. Guidelines for Evaluating and Expressing the Uncertainty of NIST Measurement Results. Washington, 1994. 25p.
НИКОЛАЕВА Елена Вячеславовна, кандидат технических наук, доцент секции «Метрология и приборостроение» кафедры «Нефтегазовое дело, стандартизация и метрология». АиШогГО (РИНЦ): 684657 ORCID: 0000-0002-7854-3262 Адрес для переписки: nikolaeva_eva@mail.ru НИКОЛАЕВ Михаил Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий». БРНЧ-код: 1649-8920, АиШогГО (РИНЦ): 512776 ORCID: 0000-0002-3046-2092 Адрес для переписки: типр@ yandex.ru
МОЛОДЦОВ Андрей Сергеевич, ассистент секции «Метрология и приборостроение» кафедры «Нефтегазовое дело, стандартизация и метрология». ОЯСГО: 0000-0002-3562-9293 Адрес для переписки: werstalshik@yandex.ru ПИМНЕВА Наталья Евгеньевна, магистрант гр. СМм-171 факультета элитного образования и магистратуры.
Адрес для переписки: n.pimneva@yandex.ru КАЗАКОВ Максим Владиславович, магистрант гр. СМм-171 факультета элитного образования и магистратуры.
Адрес для переписки: moloko_23g5@mail.ru
Для цитирования
Николаева Е. В., Николаев М. Ю., Молодцов А. С., Пим-нева Н. Е., Казаков М. В. Измерение зубчатых косозубых шестерней и червячных колес на координатно-измеритель-ной машине // Омский научный вестник. 2018. № 4 (160). С. 140-145. БО!: 10.25206/1813-8225-2018-160-140-145.
Статья поступила в редакцию 28.05.2018 г. © Е. В. Николаева, М. Ю. Николаев, А. С. Молодцов, Н. Е. Пимнева, М. В. Казаков
УДК 621.396.1
DOI: 10.25206/1813-8225-2018-160-145-151
п. И. ПУЗЫРЁВ с. Л. ЗАВЬЯЛОВ В. В. ЕРОХИН В. Ю. ШЕИН
Омский государственный технический университет, г. Омск
НИЗКОСКОРОСТНОЙ МОДЕМ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ МАЛОГО ОБЪЕМА В СРЕДНЕВОЛНОВОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ ДЛЯ ТЕРРИТОРИИ АРКТИКИ
В данной работе рассмотрена реализация низкоскоростного модема для передачи данных малого объема, таких как короткие текстовые сообщения, бедственные сообщения, команды, извещения, координаты и т.п. В модеме используется ортогональная 64-позиционная частотная манипуляция, характеризующаяся меньшей вероятностью битовой ошибки, возможностью некогерентной демодуляции и постоянной огибающей. Структура модема разработана для реализации в программном виде и для реализации на языках описания аппаратуры для SDR систем. Рассмотрена процедура первичной временной синхронизации, обнаружения, кадровой синхронизации и демодуляции. Использование низкоскоростного модема позволит расширить зону покрытия радиосвязью на территории Арктики, где отсутствуют сети сотовой связи.
Ключевые слова: модем, многопозиционная частотная манипуляция, обнару- § житель.И
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, грант № 17-79-10047.
Введение. Территория Арктики характерна Повышение достоверности доставки сообще-
малой плотностью населения и большими рас- ний в беспроводных системах всегда была одной
стояниями между населенными пунктами и, как из важнейших научных проблем в теории переда-
следствие, неразвитой наземной информационной чи информации. Особенно остро стоит проблема
инфраструктурой. Несмотря на то что операторы на арктических территориях, где традиционные
связи продолжают развитие инфокоммуникаци- виды связи не могут стабильно работать либо от-
онных сетей как на магистральном направлении, сутствуют телекоммуникационные сети.
так и внутризоновой, охватить всю территорию РФ Во многих случаях не требуется передача боль- С
без мертвых зон сотовой связью в ближайшее вре- шого объема информации: короткие текстовые со-
мя невозможно, т.к. это потребовало бы колоссаль- общения, охранные системы автономных объектов,
ных вложений денежных средств при крайне малой системы оповещения о бедственной ситуации, ме-
отдаче [1]. теорологические станции и т.д. [1]. В отсутствии
о
п
