Устройство для определения координат положения металлопроката при поступательно-вращательном движении

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к средствам для определения координат положения металлопроката. Основной областью применения настоящего технического решения является автоматизированный потоковый ультразвуковой контроль (УЗК) трубной металлопродукции, включая горячекатаные трубы среднего и малого диаметра, и иного круглого проката, в условиях промышленного производства.
При осуществлении технологических процессов в заводских цехах, включающих УЗК, прокату круглой формы помимо поступательного движения обычно сообщают еще и вращение, чтобы обеспечить перемещение измерительного ультразвукового преобразователя по спирали относительно поверхности объекта и проконтролировать благодаря этому весь объект, используя только один преобразователь. Круглому прокату поступательно-вращательное движение придают поворотными роликами, установленными для этого под небольшим углом к продольной оси металлопроката. Для проведения автоматизированного УЗК требуется знать координаты измерительного преобразователя относительно объекта контроля, что вызывает необходимость определения положения металлопроката. Кроме того, для управления работой аппаратуры УЗК нужна информация о прохождении концевых частей проката через данную установку.
Из патентного документа US 8217377 В2 от 10.07.2012 известно устройство для определения положения сляба на рольганге, содержащее измеритель с датчиком боковой поверхности сляба. Указанный датчик представляет собой следящий ролик в виде плавающего валика из износостойкого материала. Валик установлен на опорном рычаге, который связан с парой прижимных гидравлических механизмов через цилиндрические шарниры. Оси ролика и шарниров параллельны, что обеспечивает перемещение данного ролика в одной плоскости. Недостатком известного устройства является невозможность определения углового положения металлопроката, что делает его непригодным для УЗК круглых объектов.
Решение указанной технической проблемы направлено на расширение функциональных возможностей устройства. Достигаемый настоящей полезной моделью технический результат заключается в обеспечении возможности одновременного определения осевого и углового положения металлопроката цилиндрической формы.
Данный технический результат достигается благодаря тому, что устройство для определения координат положения металлопроката при поступательно-вращательном движении содержит следящий ролик, кронштейн, цилиндрический шарнир, основание, первый и второй поворотные энкодеры. При этом ролик связан с несущей концевой частью кронштейна и первым энкодером. Противоположная опорная часть кронштейна связана с основанием через шарнир, связанный со вторым энкодером. Причем оси шарнира и ролика перпендикулярны друг другу, а данные оси лежат в разных плоскостях, которые параллельны друг другу.
В другом частном случае первый энкодер выполнен инкрементальным и многооборотным, а второй абсолютным и однооборотным.
Также в частном случае разрешающая способность энкодеров выбрана из условия превышения 8000 имп./оборот.
В еще одном частном случае ролик изготовлен из металла и имеет износостойкое полимерное покрытие рабочей поверхности.
Полезная модель поясняется следующими иллюстрациями, на которых в качестве примера показана предпочтительная конструкция устройства и его работа.
Фиг. 1-2: устройство для определения координат положения металлопроката при поступательно-вращательном движении, вид спереди и сверху.
Фиг. 3: общий вид устройства.
Фиг. 4: устройство в процессе работы, вид спереди.
Фиг. 5-6: положение устройства в начале и в конце измерительного цикла, вид снизу.
Изображенное на фиг. 1-3 устройство для определения положения металлопроката цилиндрической формы представляет собой электромеханическую измерительную установку, используемую при УЗК иммерсионным методом. Данное устройство содержит стойку 1, пластину 2, кронштейн 3, каретку 4, шарнир 5 с механизмом возврата, пневмоцилиндр 6, регулятор давления 7, пневмораспределитель 8, ролик 9, первый энкодер 10 и второй энкодер 11.
Стойка 1 и пластина 2 являются опорными элементами установки, имеют жесткую конструкцию из металла. На стойке 1 выполнены продольные направляющие для каретки 4 и проушина для пневмоцилиндра 6. Кронштейн 3 представляет собой жесткий металлический рычаг, усиленный раскосом, с вилочной проушиной на несущем конце. Пневмоцилиндр 6, регулятор давления 7 и пневмораспределитель 8 образуют привод каретки 4. Шарнир 5 является цилиндрическим шарниром, его угловое положение ограничено регулируемыми упорами 12, 13. Шарнир 5 опционально снабжен механизмом возврата в исходное угловое положение с электрическим или пружинным приводом. Ролик 9 предназначен для непосредственного контакта с поверхностью объекта контроля, имеет цилиндрическую форму, изготовлен из металла и предпочтительно имеет покрытие из износостойкого полимерного материала, обладающего фрикционными свойствами. Энкодеры 10, 11 являются вращательными датчиками угловых перемещений, первый из них выполнен инкрементальным и многооборотным, а второй абсолютным и однооборотным. Разрешающая способность энкодеров 10, 11 выбрана из условия превышения 8000 имп./оборот.
Стойка 1 и пластина 2 соединены друг с другом болтовыми соединениями и образуют устойчивое основание установки в виде станины. Каретка 4 установлена на стойке 1 с возможностью перемещения по ее направляющим и соединена со штоком пневмоцилиндра 6, связанного в свою очередь шлангами с аппаратом избыточного давления через регулятор давления 7 и пневмораспределитель 8. Корпус пневмоцилиндра 6 механически соединен с проушиной стойки 1. Каретка 4 и пневмоцилиндр 6 образуют линейный исполнительный механизм для прижима ролика 9 к поверхности объекта контроля (прижимной механизм). Цилиндрический шарнир 5 жестко соединен с кареткой 4, причем ось вращения шарнира 5 параллельна ходу движения каретки 4. С шарниром 5 соединен опорный конец кронштейна 3 и энкодер 11. В вилочной проушине на несущем конце кронштейна 3 установлен ролик 9 с возможностью свободного вращения, соединенный с энкодером 10. Сигнальные выходы энкодеров 10, 11 электрически связаны с устройством управления и обработки информации УЗК (контроллером), с которым также связан сигнальный вход блока управления пневмораспределителем 8.
Стойка 1 установлена вертикально, кронштейн 3 расположен горизонтально, ось вращения ролика 9 горизонтальна и перпендикулярна кронштейну 3, при этом обеспечивается линейное перемещение кронштейна 3 по вертикали и его вращение в горизонтальной плоскости. Ось шарнира 5 и ось ролика 9 перпендикулярны друг другу, при этом данные оси лежат в разных плоскостях, которые параллельны друг другу.
Указанные ролик, кронштейн, цилиндрический шарнир, основание, первый и второй поворотные энкодеры, а также все другие части устройства соединены между собой сборочными операциями, обеспечивающими конструктивное единство и реализацию устройством общего функционального назначения.
Данное устройство работает следующим образом.
Устройство для определения положения металлопроката размещают в непосредственной близи от технологической линии заводского цеха на таком расстоянии, чтобы обеспечить нахождение ролика 9 точно под центром объекта контроля (фиг.4). Нижнее положение ролика 9 обусловлено тем, что на технологической линии низ труб разных диаметров расположен примерно на одной высоте. При этом каретка 4 находится в исходном нижнем положении. Шток пневмоцилиндра 6 втянут, а шарнир 5 установлен в исходное положение, при котором кронштейн 3 перпендикулярен продольной плоскости объекта контроля.
Затем на поворотные ролики 14 кладут трубу 15 и приводят ее в движение посредством роликов 14, связанных передачей с электромотором. Труба 15 приобретает винтовое движение с шагом, заданным углами между осями роликов 14 и продольной осью трубы 15.
После этого устройство управления подает сигнал на вход аппарата избыточного давления, приводящего в движение шток пневмоцилиндра 6, поднимающего каретку 4 и кронштейн 3 с роликом 9 к трубе 15, в результате чего ролик 9 оказывается прижат к наружной стенке трубы 15 с усилием, достаточным для передачи движения силой трения от трубы 15 к ролику 9. Оси ролика 9 и трубы 15 при этом взаимно параллельны.
Вращение трубы 15 вокруг своей оси вызывает вращение ролика 9 и соединенного с ним рабочего органа энкодера 10. Вместе с этим, линейное осевое движение трубы 15 отклоняет ролик 9 по ходу движения, который тянет за собой кронштейн 3, поворачивая его от нормального положения на угол а (фиг. 5-6) по оси шарнира 5 в горизонтальной плоскости, вращая при этом рабочую часть энкодера 11. В процессе измерения ролик 9 следует за трубой 15, осуществляя слежение в течение одного полного осевого оборота трубы 15 в процессе ее движения по технологической линии. При этом упоры 12, 13 ограничивают ход кронштейна 3 и препятствуют его выходу из рабочей зоны.
Энкодеры 10, 11 преобразуют углы поворота ролика 9 и шарнира 5 в электрические сигналы. Измерительная информация с сигнальных выходов энкодеров 10, 11 одновременно поступает в устройство управления и обработки информации УЗК, которое на основе показаний энкодера 10 и заранее известных наружных диаметров ролика 9, трубы 15 вычисляет угловое положение трубы 15, а на основе показаний энкодера 11 и длины кронштейна 3 вычисляет осевое положение трубы 15 по тригонометрическим формулам расчета прямоугольного треугольника. В результате становятся известны обе координаты положения трубы 15, что позволяет управлять работой аппаратуры УЗК и локализовывать выявляемые дефекты.
На практике, для обеспечения непрерывности измерений, используют пару одинаковых устройств для определения положения металлопроката, одно из которых проводит измерительный цикл, начиная его из позиции, показанной на фиг. 5, а второе возвращает свой кронштейн 3 в исходное положение после измерения из позиции на фиг. 6. Для возврата кронштейна 3 в исходное положение сначала опускают каретку 4 за счет силы тяжести, затем поворачивают кронштейн 3 в нормальное положение (фиг. 5), после чего поднимают каретку 4 и начинают следующий измерительный цикл. Парная работа устройств обеспечивает возможность одновременного определения как осевого, так и углового положения металлопроката цилиндрической формы и любой длины, а не только на расстоянии, соответсвующем одному шагу винтового движения.
Благодаря пространственной структуре конструкции данного устройства обеспечивается возможность одновременного определения осевого и углового положения металлопроката цилиндрической формы первым и вторым поворотными энкодерами.
Кроме того, расширение функциональных возможностей устройства сочетается с простотой и надежностью его конструкции. Между частями устройства, подвижность которых служит для определения координат (ролик 9 и шарнир 5), находится только единственная деталь (кронштейн 3) без лишних при этом сочленений, которые могли бы снизить надежность устройства. Выполнение энкодера 10 многооборотным также упрощает конструкцию устройства, так как позволяет использовать ролик 9, диаметр которого намного меньше диаметра трубы 15. Инкрементальный энкодер 10 имеет наиболее простую конструкцию, требует малого числа линий связи с устройством управления и обработки данных. Абсолютный энкодер 11 не требует инициализации в начале измерительного цикла, что упрощает работу с ним. Так как кронштейн 3 никогда не совершает во время работы устройства полного оборота вокруг оси шарнира 5, то для измерения угла его поворота достаточно простого однооборотного энкодера 11.
Выбор разрешающей способности энкодеров 10, 11 из условия превышения 8000 имп./оборот позволяет достичь высокой точности измерений, изготовление ролика 9 из металла с износостойким полимерным покрытием рабочей поверхности придает устройству долговечность и обеспечивает высокую воспроизводимость результатов измерений.