Способ дистанционного определения геометрических параметров цилиндрических изделий и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для определения геометрических параметров цилиндрических изделий. Повышение точности, быстродействия и расширение функциональных возможностей достигается путем исключения составляющей ошибки, обусловленной неточностью начальной взаимной установки измеряемого изделия и датчиков расстояния в плоскости измерения, а также путем исключения вращения изделия. Способ заключается в предварительной установке в измерительную плоскость эталонного образца, являющегося трехступенчатым валом, и в измерении датчиками расстояния, расположенными вокруг эталона в измерительной плоскости, расстояний до поверхностей его ступеней. Затем на место эталона устанавливается контролируемое изделие и датчиками измеряются расстояния до его поверхности. Измеренные расстояния являются данными для решения систем алгебраических уравнений. Вторичная обработка решений этих систем, включающая в себя регрессионный и спектральный анализ, позволяет получить аналитическое и графическое описание кривой профиля. Устройство содержит несколько датчиков расстояния, эталонный образец, ось которого перпендикулярна измерительной плоскости, два блока памяти, блок решения системы алгебраических уравнений, содержащий два арифметических блока, блок вычисления полярных координат точек профиля, содержащий блок вычисления радиальной и блок вычисления угловой координаты, блок вычисления параметров профиля, содержащий блок регрессионного и блок спектрального анализа, индикатор и блок управления. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Заявляемое изобретение относится к области измерения и контроля цилиндрических изделий, в частности, в металлургии и машиностроении при контроле параметров проката круглых и прочих профилей, сечения которых представляют собой выпуклые геометрические фигуры.

Известен способ дистанционного контроля цилиндрических изделий /авт. св. СССР N 896409, кл. G 01 B 15/04/, при котором в плоскости измерения приемно-передающей антенны, выполненной в виде кольцевой решетки излучателей, производят оптимальную начальную установку образца цилиндрической формы с номинальным значением его диаметра таким образом, чтобы расположение профиля эталона и кольцевой решетки излучателей было концентрическим. Затем производят настройку блока 14 сравнения опорного и измерительного сигналов так, чтобы результирующий сигнал был равен нулю. После этого устанавливают в плоскость измерения осью перпендикулярно ей вместо эталона контролируемое изделие. Далее вращают изделие внутри кольцевой решетки излучателей и путем сравнения суммы и разности сигналов различных излучателей после спектральной обработки (определяют) вычисляют эксцентриситет кольцевой решетки и сечения изделия, интегральный диаметр и овальность изделия.

Известное устройство для контроля размеров цилиндрических изделий /см. выше/, выбранное в качестве прототипа, содержит СВЧ-генератор, соединенный с приемно-передающей антенной, которая выполнена в виде кольцевой решетки излучателей, соединенных последовательно между собой через циркуляторы, и подключена к приемнику, а также дискриминатор, подключенный к антенне с помощью направленных ответвителей.

Недостатки известного способа и устройства заключаются в следующем. Они не обеспечивают достаточной точности контроля профиля, т.к. в состав погрешности контроля всегда будет входить составляющая, вызванная неточностью взаимного начального расположения датчиков расстояния /излучателей/ и измеряемого объекта как в смысле взаимного расположения объекта и фазовых центров излучателей, так и в смысле взаимной ориентации диаграмм направленности излучателей и положения измеряемого изделия, несмотря на процесс начальной установки эталона и излучателей и настройки обрабатывающей части. Кроме того, сам процесс начальной установки излучателей и настройки блока сравнения 14 приводит к снижению быстродействия прототипа. Снижение быстродействия и отсутствие возможности контроля протяженных изделий в прототипе обусловливается также необходимостью вращения изделия.

Цель изобретения состоит в повышении точности, быстродействия и расширении функциональных возможностей способа дистанционного контроля цилиндрических изделий и устройства для его осуществления путем исключения начальной установки взаимного расположения датчиков расстояния и измеряемого изделия в плоскости измерения вследствие устранения составляющей погрешности измерения, обусловленной этой начальной установкой, а также путем исключения вращения изделия.

Поставленная цель достигается тем, что в способе контроля размеров цилиндрических изделий, при котором в измерительной плоскости датчиков расстояния /излучателей/ предварительно размещают эталонный образец, геометрическая ось которого перпендикулярна этой плоскости, и измеряют расстояние от датчика до поверхности образца, согласно изобретению эталонный образец выполняют в форме высокоточного трехступенчатого вала, состоящего из соосно расположенных двух цилиндров с радиусами сечений R и r и призмы, последовательно определяют расстояния от каждого i-го датчика до поверхности каждой из ступеней эталонного вала /A_i E_i/, /A_iC_i, /A_iD_i/ соответственно малого, большого цилиндров и призмы, затем вместо эталона помещают контролируемое изделие осью перпендикулярно плоскости измерения и измеряют расстояния /A_iB_i/ от датчиков до поверхности изделия, после чего для каждого датчика решают следующую систему двух алгебраических уравнений: относительно неизвестных IA_iOI² и , IA_iOI - расстояние от i-го датчика до оси эталона, угол между измерительным лучом датчика и направлением от датчика на ось эталона; затем вычисляют полярные координаты точек пересечения измерительных лучей с поверхностью изделия в измерительной плоскости относительно центра сечения эталона - радиальные: и угловые. Вначале вычисляют расстояния /OD_i/ от оси эталона до точек пересечения измерительных лучей с поверхностью призмы Угловые полярные координаты α_i точек B_i относительно линии отсчета определяют как разность Угол вычисляется, исходя из найденного /OD_i/ и параметров призмы, угол решением треугольника ΔB_iOD_i по известным трем сторонам. В процессе вторичной обработки координат точек определяют параметры профиля.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для контроля цилиндрических изделий, содержащее несколько датчиков расстояния, индикатор и эталонный образец, ось которого перпендикулярна измерительной плоскости, согласно изобретению введены два блока памяти, блок решения системы алгебраических уравнений, содержащий два арифметических блока, блок вычисления полярных координат точек профиля, содержащий блоки вычисления радиальной и угловой координаты, блок вычисления параметров профиля, содержащий блок репрессионного и блок спектрального анализа, а также блок управления, причем выход каждого из датчиков расстояния подключен одновременно к отдельному входу первого блока памяти и отдельному входу блока вычисления полярных координат точек профиля, с помощью шины данных последовательно соединены первый блок памяти, блок решения системы алгебраических уравнений, второй блок памяти, блок вычисления полярных координат точек профиля, блок вычисления параметров профиля и индикатор, к управляющему входу первого блока памяти подключен первый выход блока управления, второй выход которого подключен к управляющему входу блока вычисления полярных координат точек профиля, с помощью шины управления блок вычисления параметров профиля и индикатор своими вторыми входами подключены к третьему выходу блока управления.

Именно заявляемая форма эталонного образца и реализация процесса последовательных вычислений указанным видом взаимосвязи описанных блоков обеспечивают исключение из суммарной ошибки определения параметров цилиндрических профилей составляющей, обусловленной неточностью начальной установки взаимного расположения датчиков расстояния и измеряемого изделия в измерительной плоскости, что также приводит к исключению такой начальной установки /юстировки/ в процессе измерения, а также к устранению необходимости вращения изделия и тем самым достижение цели изобретений. Это позволяет сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Сравнение заявляемых технических решений с прототипом позволило установить соответствие их критерию "Новизна".

Достижение положительного эффекта доказывается следующим.

На фиг. 1 изображено взаимное расположение эталонного вала Ω, измеряемого изделия Ф и i-го датчика расстояния с измерительным лучом (AE) в плоскости измерения. Принимается допущение о перпендикулярности осей эталона и изделия плоскости, в которой находятся измерительные лучи датчиков (измерительной плоскости). Допустим также, что эталонный вал перемещается соосно так, что в измерительную плоскость попадают последовательно три его ступени, или же структура вала и физика измерения данным типом датчиков расстояния допускают измерение расстояния до составных частей вала без взаимного перемещения вала, и датчика (например, при полном или частичном проникновении измерительного луча к внутренним составляющим ступеням эталона и формировании отклика на зондирующий измерительный луч от данных внутренних частей).

Для конкретизации на фиг. 1 призменная ступень эталона имеет квадратное сечение со стороной l. На чертеже изображены совмещенные последовательные положения ступеней эталона W и измеряемого изделия Ф в измерительной плоскости плоскости чертежа, в которой находятся неподвижные датчики расстояния. Из DACE, ΔAOC видно, что
Решая эти уравнения совместно, находим из измеренных /AE/, /AC/ и известных R, r неизвестные a /AO/² и . Зная , можно вычислить радиальную полярную координату ρ точки B сечения измеряемого профиля, помещаемого на место эталона, измерительной плоскостью

/AB/ измеряется датчиком расстояния.

Для определения угловой полярной координаты α точки В, исходя из измеренного /AD/, определим расстояние /OD/

Пусть (OA') линия отсчета, относительно которой отсчитываются угловые координаты α /привязка по углу/. В данном случае линией отсчета принимается перпендикуляр к грани призмы, восстановленный из точки O оси эталона в плоскости чертежа (измерительной плоскости). Тогда вычислено. Тогда искомая . Угол находим из решения ΔBOD по известным трем сторонам.

Аналогичным образом находим полярные координаты точек B_i профиля для любого количества n датчиков расстояния, расположенных вокруг измеряемого изделия. Причем ни координаты точки расположения датчика, ни направления его измерительного луча (диаграммы направленности) не являются исходными данными при вычислении координат профиля. Важна лишь их неизменность за время сеанса измерения. Следовательно, эти параметры начальной установки датчиков и изделия не вносят погрешности в измерение параметров контролируемого профиля. Должно выполняться только требование компланарности измерительных лучей и нахождения этих лучей в пределах углового диапазона, обеспечивающего их пересечение с внутренней ступенью эталона (имеющей наименьшее сечение) невыход луча за пределы эталона и изделия.

Найдя координаты точек измеряемого профиля, в блоке вторичной обработки производится вычисление параметров профиля. Для трех датчиков можно определить средний радиус профиля , решив систему уравнений

Если датчиков больше, то средний радиус профиля находится с помощью регрессионного анализа. Пять датчиков позволяют определить среднюю овальность профиля, решив систему уравнений эллипса

Большее число датчиков позволит минимизировать ошибку определения овальности с помощью регрессионного анализа.

Таким образом, увеличивая число датчиков в измерительной плоскости, можно определять приближение измеряемого профиля к сколь угодно сложной кривой, параллельно минимизируя погрешность такой аппроксимации и ее параметров. С помощью спектрального анализа можно найти угловой спектр сечения измеряемого профиля S(α)..

Важным преимуществом предлагаемых изобретений является возможность перманентного контроля протяженных изделий при их непрерывной подаче по всей длине (например, в процессе прокатки).

Предлагаемое изобретение обеспечивает повышение точности, быстродействия и расширение функциональных возможностей по сравнению с прототипом.

При изучении других известных технических решений признаки, отличающие заявляемые изобретения от прототипа, не были выявлены в совокупности, приводящей к достижению положительного эффекта. Поэтому они обеспечивают заявляемым техническим решениям соответствие критерию "Изобретательский уровень".

На фиг. 2 представлена блок-схема устройства для дистанционного определения геометрических параметров цилиндрических изделий, предлагаемого для реализации разработанного способа.

В измерительной плоскости датчиков расстояния устанавливается эталонный образец, состоящий из соосно расположенных двух цилиндров с радиусами R и r и призмы, при этом ось эталона перпендикулярна плоскости измерения. Датчики расстояния последовательно определяют расстояния до поверхности ступеней образца, которые заносятся в ячейки памяти первого блока памяти. В блоке решения системы алгебраических уравнений, исходя из измеренных расстояний /A_iC_i/, /A_iE_i/ от i-го датчика до большого и малого цилиндров, для каждого датчика решают систему уравнений /1/ методом подстановки, вычисляя неизвестные a_i IA_iOI² и по формулам

Вычисленные a_i, b_i вместе с измеренными расстояниями /A_iD_i/ от датчиков до призмы эталона по шине данных поступают и заносятся во второй блок памяти, тем временем вместо эталона в измерительную плоскость помещают измеряемое изделие, расстояние до которого от каждого i-го датчика /A_iB_i/ подают на входы блока вычисления полярных координат точек профиля, на отдельный вход которого по шине данных подают содержимое ячеек второго блока памяти a_i, b_i, /A_iD_i/. По входным данным вычисляют радиальные ρ_i и угловые полярные координаты точек профиля α_i.

Когда призма эталона имеет квадратное сечение, то α_i вычисляют по алгоритму

функция целого числа (характеристика),
IOD_iI² /A_iD_i/² + a_i - b_i/A_iD_i/
l сторона квадрата сечения призмы,
n число датчиков.

Вычисленные полярные координаты точек профиля с помощью шины данных подают на блок вычисления параметров профиля, где с помощью блоков регрессионного и спектрального анализа вычисляют параметры профиля: средний радиус исходя из минимизации невязки уравнений (2)

средние полуоси овальности и минимизацией невязки системы (3), угловой спектр кривой профиля S(α) и т.п.

Все эти вычисленные параметры, а также геометрию расположения точек сечения профиля и кривой приближения его периметра индицирует индикатор-дисплей. Работа блоков устройства синхронизируется блоком управления.

Устройство для дистанционного измерения геометрических параметров цилиндрических изделий (фиг. 2) содержит несколько датчиков расстояния 1, 2, 3, 4, эталонный образец 5, выполненный в виде высокочастотного трехступенчатого вала со ступенями в виде двух цилиндров с радиусами сечения R и r и призмы, с помощью шины данных последовательно включены первый блок памяти 6, блок решения системы алгебраических уравнений 7, содержащий первый 8 и второй 9 арифметические блоки, второй блок памяти 10, блок вычисления полярных координат точек профиля 11, содержащий блок 12 вычисления радиальных и блок 13 вычисления угловых координат, блок вычисления параметров профиля 14, содержащий блок 15 регрессионного и блок 16 спектрального анализа, индикатор 17. Каждый датчик расстояния 1 4 подключен своим выходом одновременно к отдельному входу первого блока памяти 6 и отдельному входу блока вычисления полярных координат точек профиля 11, к управляющему входу первого блока памяти 6 подключен первый выход блока управления 18, второй выход которого подключен к управляющему входу блока вычисления полярных координат точек профиля 11, с помощью шины управления третий выход блока управления 18 подключен к управляющим входам блока вычисления параметров профиля 14 и индикатора 17.

Устройство работает следующим образом. Первоначально в измерительную плоскость датчиков расстояния 1 4 помещается эталонный образец 5 так, чтобы его ось была перпендикулярна плоскости измерения. После включения устройства происходит очистка ячеек памяти первого 6 и второго 10 блоков памяти. Датчики расстояния измеряют расстояния до первой ступени эталонного вала, например /A_iE_i/ расстояния до малого цилиндра, значения которых заносятся в соответствующие ячейки первого блока памяти 6. Затем происходит измерение расстояний от датчиков до следующей ступени эталона например, до призмы /A_iD_i/. Причем это измерение производится либо после предварительного перемещения эталона вдоль своей оси, либо путем использования структуры эталона и датчиков, позволяющих измерительному лучу проникать к внутренним ступеням эталонного образца. Блок управления 18 сигналом со своего первого выхода подключает входы первого блока памяти 6 к свободным ячейкам памяти. Далее аналогично производится измерение расстояний /A_iC_i/ до третьей ступени эталона. Блок управления 18 следующим сигналом со своего первого выхода подключает входы первого блока памяти 6 к третьей группе свободных ячеек памяти. Из измерительной плоскости извлекается эталон. На его место устанавливается контролируемое изделие. Тем временем величины /A_iC_i/, /A_iD_i/, /A_iE_i/ по шине данных поступают на вход блока решения системы алгебраических уравнений 7, где в первом арифметическом блоке 8 вычисляются коэффициенты
,
во втором арифметическом блоке 9 вычисляются значения
a_i R² IA_iC_iI(IA_iC_iI b_i)
Эти вычисленные a_i, b_i вместе с /A_iD_i/ по шине данных заносятся в ячейки памяти второго блока памяти 10, оттуда поступают в блок вычисления полярных координат точек профиля 11. По сигналу со второго выхода блока управления 18 на входы блока 12 вычисления радиальных координат одновременно (синхронно) со всех датчиков расстояний проходят значения /A_iB_i/ измеренных расстояний до точек поверхности контролируемого изделия в текущем сечении его измерительной плоскостью. В блоке 12 вычисляются радиальные координаты p_i точек профиля

В блоке 13 вычисления угловых координат α_i вычисляются по формуле /4/.

По шине данных с блока вычисления полярных координат точек профиля 11 полярные координаты ρ_i, α_i измеряемого сечения поступают на блок вычисления параметров профиля 14.

В зависимости от команды, поступающей с третьего выхода блока управления 18 на управляющий вход блока 14 по шине управления, в блоке регрессионного анализа 15 или в блоке спектрального анализа 16 вычисляются параметры сечения изделия: средний радиус минимизацией невязки системы (2), овальность (среднее значение полуосей ) системы (3), угловая спектральная плотность S(α) разложением в спектр зависимости кривой профиля ρ(α) и т.п.

Используемые в заявляемом устройстве блоки известны. Блок решения системы алгебраических уравнений 8, блок вычисления радиальных координат точек профиля 11, блок вычисления параметров профиля 14 с регрессионным вычислителем 15 и спектроанализатором 16 представляют собой микропроцессоры, управляемые блоком управления 18, блоки памяти 6 и 10 типовые, индикатор 17 обычный дисплей /Тетельбаум И.М. Шнейдер Ю.Р. 400 схем для АВМ. М. Энергия, 1978; Интегральные микросхемы. Справочник. М. Энергоиздат, 1985; У. Гилмор. Введение в микропроцессорную технику. М. Мир, 1984./. Датчики расстояния могут быть реализованы аналогично прототипу, но каждый с одним излучателем, либо по а.с. СССР NN1223037, 1430745.

После вычисления параметры профиля по сигналу управления, подаваемому с третьего выхода блока 18 по шине управления, индицируются на индикаторе-дисплее 17 в виде таблиц, графиков, точек профиля и кривых его периметра различной степени аппроксимации.

Таким образом, использование предлагаемого способа и устройства дистанционного определения геометрических параметров цилиндрических изделий позволяет повысить точность и быстродействие измерения путем исключения из ошибки составляющей, обусловленной неточностью начальной установки взаимного расположения датчиков расстояниями измеряемого изделия в измерительной плоскости, что приводит к исключению такой установки и настройки, а также расширить функциональные возможности измерения за счет устранения необходимости вращения контролируемого изделия. В предлагаемом техническом решении погрешность измерения в измерительной плоскости определяется только погрешностью датчиков расстояния.

Формула изобретения

1. Способ дистанционного определения геометрических параметров цилиндрических изделий, при котором в измерительной плоскости датчиков расстояния предварительно размещают эталонный образец, геометрическая ось которого перпендикулярна измерительной плоскости, затем вместо эталона в плоскость измерения помещают контролируемое изделие, отличающийся тем, что эталонный образец выполняют в форме высокоточного трехступенчатого вала, состоящего из соосно расположенных двух цилиндров различного диаметра и призмы, последовательно определяют расстояния от датчиков до поверхности каждой из ступеней данного вала, затем измеряют расстояния (A_iВ_i)от датчиков до поверхности изделия, после чего для каждого i-го датчика решают следующую систему из двух алгебраических уравнений:

где;
r и R- радиусы сечений ступеней эталонного вала,(A_iE)_i, (A_iС_i, A_iD_i) соответственно измеренные i-м датчиком расстояния до малого, большого цилиндров и призмы эталона;
(A_iО) расстояния от i-го датчика до оси эталона;
угол между измерительными лучами датчиков и направлениями на ось эталона,
после вычисления , используя измеренные (A_iB_i), вычисляют радиальные полярные координаты ρ_i точек пересечения измерительных лучей с поверхностью изделия в измерительной плоскости по формуле
угловые полярные координаты α_i относительно линий отсчета (A_iО) вычисляют как разность , вычисляется после решения треугольника ΔB_iОD_i
,
где (ОD_i) расстояния от оси эталона до точек пересечения измерительных лучей с поверхностью призмы вычисляют по формуле
после вторичной обработки полярных координат определяют параметры сечения профиля.

2. Устройство для дистанционного определения геометрических параметров цилиндрических изделий, содержащее несколько датчиков расстояния, индикатор и эталонный образец, ось которого перпендикулярна измерительной плоскости, отличающееся тем, что в него введены два блока памяти, блок решения системы алгебраических уравнений, содержащий два арифметических блока, блок вычисления полярных координат точек профиля, содержащий блок вычисления радиальной и блок вычисления угловой координаты, блок вычисления параметров профиля, содержащий блок регирессионного и блок спектрального анализа, а также блок управления, причем выход каждого из датчиков расстояния подключен одновременно к отдельному входу первого блока памяти, отдельному входу блока вычисления полярных координат точек профиля, с помощью шины данных последовательно соединены первый блок памяти, блок решения системы алгебраических уравнений, второй блок памяти, блок вычисления полярных координат точек профиля, блок вычисления параметров профиля и индикатор, к управляющему входу первого блока памяти подключен первый выход блока управления, второй выход которого подключен к управляющему входу блока вычисления полярных координат точек профиля, с помощью шины управления блок вычисления параметров профиля и индикатор своими вторыми входами подключены к третьему выходу блока управления, эталонный образец выполнен в форме высокоточного трехступенчатого вала, состоящего из соосно расположенных двух цилиндров различного диаметра и призмы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2