В различных контекстах науки , технологии и производства (например, машиностроения , изготовления и аддитивного производства ) индикатор — это любой из различных инструментов, используемых для точного измерения небольших расстояний и углов , а также для их усиления с целью сделать их более очевидными. Название происходит от концепции указания пользователю того, что его невооруженный глаз не может различить; например, наличия или точного количества некоторого небольшого расстояния (например, небольшой разницы высот между двумя плоскими поверхностями, небольшого отсутствия концентричности между двумя цилиндрами или других небольших физических отклонений).
Классическая механическая версия, называемая циферблатным индикатором , обеспечивает отображение циферблата , похожее на циферблат часов со стрелками; стрелки указывают на деления в круговых шкалах на циферблате, которые представляют расстояние кончика зонда от нулевой настройки. Внутренние работы механического циферблатного индикатора похожи на точные часовые механизмы механических наручных часов, использующие зубчатую передачу для считывания положения зонда вместо маятникового спуска для считывания времени. Сторона вала зонда индикатора имеет зубья, чтобы обеспечить зубчатую передачу. Когда зонд движется, зубчатая передача приводит в движение зубчатую передачу, вращая стрелку «часов» индикатора. Пружины предварительно нагружают зубчатый механизм, чтобы минимизировать погрешность люфта в считывании. Точное качество форм зубчатых передач и свобода подшипников определяют повторяемую точность достигаемого измерения. Поскольку механизмы обязательно являются хрупкими, для надежной работы в жестких условиях, таких как операции металлообработки на станках , требуется прочная конструкция каркаса , подобно тому, как наручные часы подвергаются усилению.
Другие типы индикаторов включают механические устройства с консольными указателями и электронные устройства с цифровыми дисплеями. Электронные версии используют оптическую или емкостную решетку для обнаружения микроскопических шагов в положении зонда.
Индикаторы могут использоваться для проверки отклонения допуска во время процесса проверки обработанной детали, измерения прогиба балки или кольца в лабораторных условиях, а также во многих других ситуациях, когда необходимо зарегистрировать или указать небольшое измерение. Циферблатные индикаторы обычно измеряют в диапазоне от 0,25 мм до 300 мм (от 0,015 до 12,0 дюймов) с градуировкой от 0,001 мм до 0,01 мм ( метрическая система ) или от 0,00005 до 0,001 дюйма ( имперская/обычная система ).
Для индикаторов разных типов и назначений используются различные названия, в том числе циферблатный индикатор , часы , зондовый индикатор , указатель , тестовый индикатор , циферблатный тестовый индикатор , капельный индикатор , плунжерный индикатор и другие.
В циферблатных индикаторах есть несколько переменных:
Индикаторы по своей сути обеспечивают только относительную меру. Но, учитывая, что используются подходящие эталоны (например, калибровочные блоки ), они часто позволяют получить практический эквивалент абсолютной меры с периодической перекалибровкой по эталонам. Однако пользователь должен знать, как правильно их использовать, и понимать, что в некоторых ситуациях их измерения все равно будут относительными, а не абсолютными из-за таких факторов, как косинусная ошибка (обсуждается позже).
Индикаторы зонда обычно состоят из градуированной шкалы и стрелки, приводимой в движение часовым механизмом (отсюда терминология часов ) для регистрации малых приращений, с меньшим встроенным циферблатом и стрелкой для регистрации числа оборотов стрелки на главном циферблате. Циферблат имеет тонкие градации для точного измерения. Подпружиненный зонд (или плунжер) перемещается перпендикулярно проверяемому объекту, втягиваясь или выдвигаясь из корпуса индикатора.
Циферблат можно повернуть в любое положение, это используется для ориентации циферблата в сторону пользователя, а также для установки нулевой точки, также будут некоторые средства для включения индикаторов пределов (два металлических выступа, видимых на правом изображении, на 90 и 10 соответственно), эти выступы пределов можно повернуть вокруг циферблата в любое необходимое положение. Также может быть доступен рычаг, который позволит легко убрать зонд индикатора.
Крепление индикатора может быть выполнено несколькими способами. Многие индикаторы имеют монтажный выступ с отверстием для болта как часть задней пластины. В качестве альтернативы устройство может удерживаться за цилиндрический стержень, который направляет плунжер с помощью цанги или специального зажима, что является методом, который обычно используется инструментами, предназначенными для интеграции индикатора в качестве основного компонента, такими как толщиномеры и компараторы. Обычные внешние диаметры для стержня составляют 3/8 дюйма и 8 мм, хотя выпускаются и другие диаметры. Другой вариант, который включают некоторые производители, — это крепления типа «ласточкин хвост», совместимые с креплениями на циферблатных индикаторах.
Индикатор с циферблатом , также известный как индикатор с рычагом или индикатор с пальцем , имеет меньший диапазон измерения, чем стандартный индикатор с циферблатом. Индикатор с циферблатом измеряет отклонение рычага, зонд не отводится, а качается по дуге вокруг своей точки шарнира. Рычаг может быть заменен на длину или диаметр шарика и позволяет проводить измерения в узких канавках и небольших отверстиях, куда корпус зонда может не дотянуться. Показанная модель является двунаправленной, некоторые типы, возможно, придется переключать с помощью бокового рычага, чтобы иметь возможность измерять в противоположном направлении.
Эти индикаторы фактически измеряют угловое смещение, а не линейное смещение; линейное расстояние коррелирует с угловым смещением на основе коррелирующих переменных. Если причина движения перпендикулярна пальцу, ошибка линейного смещения приемлемо мала в пределах диапазона отображения циферблата. Однако эта ошибка начинает становиться заметной, когда эта причина находится на расстоянии до 10° от идеальных 90°. [1] Это называется косинусной ошибкой , поскольку индикатор регистрирует только косинус движения, тогда как пользователя, скорее всего, интересует чистый вектор движения . Косинусная ошибка более подробно обсуждается ниже.
Контактные точки тестовых индикаторов чаще всего поставляются со стандартным сферическим наконечником диаметром 1, 2 или 3 мм. Многие из них изготовлены из стали (легированной инструментальной стали или HSS ); более дорогие модели изготовлены из карбидов (например, карбида вольфрама ) для большей износостойкости. В зависимости от области применения для контактных точек доступны и другие материалы, такие как рубин (высокая износостойкость) или тефлон или ПВХ (чтобы избежать царапин на заготовке). Они более дорогие и не всегда доступны в качестве OEM-опций, но они чрезвычайно полезны в областях, где они требуются.
Современные циферблатные индикаторы обычно монтируются либо с помощью встроенного стержня (справа на изображении), либо с помощью специального зажима, который захватывает ласточкин хвост на корпусе индикатора. Некоторые приборы могут использовать специальные держатели.
До появления современных зубчатых циферблатных механизмов были распространены тестовые индикаторы, использующие один рычаг или системы рычагов. Диапазон и точность этих устройств, как правило, уступали современным устройствам циферблатного типа, с диапазоном от 10/1000 дюйма до 30/1000 дюйма и точностью 1/1000 дюйма, что было типично. Одним из распространенных тестовых индикаторов с одним рычагом был Starrett (№ 64), а те, которые использовали системы рычагов для усиления, производились такими компаниями, как Starrett (№ 564) [2] и Lufkin (№ 199A), [3] , а также более мелкими компаниями, такими как Ideal Tool Co. Устройства, которые можно было использовать как рычажный тестовый индикатор или как плунжерный тип, также производились компанией Koch. [4]
С появлением электроники циферблат часов (циферблат) в некоторых индикаторах был заменен цифровыми дисплеями (обычно ЖК-дисплеями ), а часовой механизм был заменен линейными энкодерами . Цифровые индикаторы имеют некоторые преимущества по сравнению со своими аналоговыми предшественниками. Многие модели цифровых индикаторов могут записывать и передавать данные в электронном виде на компьютер через интерфейс, такой как RS-232 или USB . Это облегчает статистическое управление процессами (SPC), поскольку компьютер может записывать результаты измерений в табличный набор данных (например, таблицу базы данных или электронную таблицу ) и интерпретировать их (выполняя статистический анализ по ним). Это устраняет необходимость ручной записи длинных столбцов чисел, что не только снижает риск внесения оператором ошибок (например, перестановки цифр), но и значительно повышает производительность процесса, освобождая человека от трудоемких задач записи и копирования данных. Еще одним преимуществом является то, что их можно переключать между метрическими и дюймовыми единицами одним нажатием кнопки, тем самым устраняя отдельный шаг преобразования единиц , вводимый в калькулятор или веб-браузер, а затем записывая результаты.
На каплевидных индикаторах наконечник зонда обычно можно заменить на различные формы и размеры в зависимости от области применения. Наконечники обычно крепятся с помощью резьбы № 4-48 или M2.5. Сферические наконечники часто используются для обеспечения точечного контакта. Цилиндрические и плоские наконечники также используются по мере необходимости. Игольчатые наконечники позволяют наконечнику войти в небольшое отверстие или щель. Дополнительные наборы наконечников продаются отдельно и стоят недорого, так что даже индикаторы, у которых нет набора наконечников, можно дополнить новым набором.
Индикаторы циферблатного теста, наконечники которых движутся по дуге, а не погружаются линейно, обычно имеют сферические наконечники. Такая форма обеспечивает точечный контакт, что позволяет проводить последовательные измерения по мере перемещения наконечника по дуге (через постоянное смещение расстояния от поверхности шарика до центральной точки, независимо от угла контакта шарика с измеряемой поверхностью). В продаже имеется несколько сферических диаметров; стандартные размеры составляют 1 мм, 2 мм и 3 мм.
Несмотря на только что упомянутое преимущество (относительно нерелевантности угла контакта) самого шара (сферы) , угол контакта рычага в целом имеет значение. На большинстве DTI он должен быть параллелен (0°, 180°) измеряемой поверхности, чтобы измерение было действительно точным, то есть чтобы величина показания циферблата отражала истинное расстояние перемещения наконечника без косинусной ошибки . Другими словами, путь перемещения наконечника должен совпадать с измеряемым вектором; в противном случае измеряется только косинус вектора (что приводит к ошибке, называемой косинусной ошибкой). В таких случаях индикатор все еще может быть полезен, но для достижения правильного измерения (где измерение является абсолютным, а не просто сравнительным) необходимо применить смещение (множитель или поправочный коэффициент). (Этот факт относится к углу между рычагом и деталью, а не к углу между рычагом и корпусом DTI [5] , который регулируется в большинстве DTI.) Тот же принцип используется и в контактных триггерных датчиках КИМ (TTP), где машина (при правильном использовании) корректирует компенсацию смещения шарика, чтобы учесть любую разницу между вектором подхода и вектором поверхности.
Некоторые DTI (например, линейка Interapid и ее конкуренты) изготавливаются со встроенным допуском, так что угол наклона 12° (между рычагом и измеряемой поверхностью) является углом, который соответствует нулевой косинусной ошибке. Это очень удобно для пользователя, поскольку практично, что шарик находится вне корпуса индикатора, так что устройство может проходить над поверхностью.
Замена наконечника DTI не такое простое дело, как замена наконечника индикатора падения, потому что наконечник, будучи рычагом, имеет свою длину, точно соответствующую часовому механизму внутри индикатора, так что длина дуги движения его конечности имеет известное соотношение с шестернями, которые приводят в движение стрелку циферблата. Таким образом, чтобы добавить более длинный или более короткий наконечник, требуется поправочный коэффициент, умноженный на показание циферблата, чтобы получить истинное показание расстояния. Наконечники DTI часто имеют резьбу для взаимозаменяемости (как наконечники индикатора падения), с небольшими гранями для установки гаечного ключа; но намерение относительно замены наконечника пользователем ограничивается только наконечниками, которые изначально поставлялись с индикатором, из-за вышеупомянутой важности длины. Обычно DTI поставляется только с несколькими наконечниками, такими как наконечник с маленьким шариком и наконечник с большим шариком.
Ни одно из вышеприведенных соображений (косинусная ошибка или ошибка длины рычага) не имеет значения, если показания циферблата используются только в сравнительном (а не в абсолютном) смысле. Но предотвращение ошибок типа «сравнительное против абсолютного» зависит от знаний и внимания пользователя, а не от самого прибора, и поэтому ремонтники DTI обычно не сертифицируют точность DTI, который не может обеспечить точное абсолютное измерение, даже если он идеально подходит только для сравнительного использования. Такой DTI все еще может быть сертифицирован (и маркирован) только для сравнительного использования, но поскольку существует риск ошибки пользователя, правила калибровки датчиков в механических цехах либо требуют маркировки «только для сравнительного использования» (если пользователи могут доверять ее пониманию и соблюдению), либо требуют, чтобы индикатор был снят с эксплуатации (в противном случае).