СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВОЙ СИЛОИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ

Полезная модель относится к регулирующим и управляющим системам общего назначения, более конкретно, к системам управления испытательными машинами с программным управлением.
Известны образцовые силоизмерительные машины 2-го разряда типа ДО2 (Образцовые динамометры 2-го разряда ДО2-5 и ДО2-100 // Сводный каталог «Испытательные машины». - М.: ОНТИприбор. - 1966. - С.79-81) [1] и ОСМ2 (Образцовые силоизмерительные машины ОСМ2-50, ОСМ2-100-5 и ОСМ2-200-10 // Сводный каталог «Испытательные машины и стенды». - М.: ОНТИприбор. - 1967. - С.13-15) [2], входящие в Государственную поверочную схему для средств измерения силы (ГОСТ 8.065-85. Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерения силы) [3], и предназначенные для поверки и калибровки образцовых динамометров 3-го разряда (далее по тексту - динамометры), выпускаемых по стандарту (ГОСТ 9500-84. Динамометры образцовые переносные. Общие технические требования) [4], которые, в свою очередь, служат для, поверки рабочих средств измерения силы, в том числе испытательных машин (Роженцев B.C., Прокопенко Ю.Д., Мараховский А.В. и др. Новые гидравлические разрывные машины для стандартных испытаний металлопродукции // Заводская лаборатория. - 2010. - №4. - С.61-63; Виктор Роженцев, Анатолий Новиков, Александр Шаманин и др. Автоматизированная система для определения механических свойств материалов // Современные технологии автоматизации. - 2007. - №2 - С.72-78) [5, 6] и прессов (Ю.Д.Прокопенко, А.С.Кастанов, B.C.Роженцев. Испытательные прессы нового поколения // ПРИБОРЫ. - 2006. - №5. - С.14-16) [7], используемых для сертификационных испытаний металлопродукции и других материалов.
Принцип действия машин [1, 2] основан на применении взвешенных с высокой точностью грузов, находящихся в поле тяжести Земли, массы которых, будучи умноженными на ускорение свободного падения на определенной географической широте, образуют кратные единицы силы для конкретного географического района.
Наиболее близким аналогом заявляемому устройству является система управления машин серии ОСМ2. Для определения недостатков аналога необходимо рассмотреть работу одной из машин [2], например, машины ОСМ2-200-10, устройство которой приведено на рис.2.
Машина (рис.2) состоит из нагружающих устройств НУ1 и НУ2, соединенных между собой посредством неравноплечего грузового рычага ГР, и имеет два режима работы: режим непосредственного нагружения (режим «НН»), в котором применяется только нагружающее устройство НУ1; и режим «ОСМ», использующий оба нагружающих устройства и грузовой рычаг. Управление машиной в режиме «НН» осуществляется с пульта управления ПУ1, а в режиме «ОСМ» - с пульта управления ПУ2.
Нагружающее устройство НУ1 представляет собой жесткий каркас, образованный четырьмя гладкими колоннами КЛ1 и КЛ2, связанный плитами ПЛ1 и ПЛ2. Условно нагружающее устройство можно разделить на три секции, разделенные плитами ПЛ: верхнюю для работы в режиме «НН»; среднюю, где расположены нагружающие колонки НК1 с мерами силы величиной 0,5 кН (2 шт.), 1 кН (2 шт.) и 2 кН (1 шт.); и нижнюю секцию с нагружающими колонками НК2 с мерами силы величиной 5 кН (1 шт.), 10 кН (2 шт.), 20 кН (1 шт.) и 50 кН (1 шт.). К нижней раме реверсора РВ1, в зоне которого располагаются поверяемые динамометры, через тягу арретира АР подвешена грузовая штанга ГШ, представляющая собой металлический стержень с жестко закрепленными на нем десятью тарельчатыми поддонами ТП, на которые в процессе нагружения накладываются меры силы. Штанга имеет кольцевой буртик (на рис.2 не показан), с помощью которого она арретируется. Арретир АР представляет собой устройство из двух червячно-винтовых домкратов (верхнего и нижнего), винты которых имеют возможность с помощью электродвигателей ЭД1 и ЭД2 в режиме «НН» совершать возвратно-поступательное движение (электродвигатели аналогичных домкратов для режима «ОСМ» на рис.2 не показаны). При арретировании штанги винты верхнего и нижнего домкратов при встречном движении одновременно зажимают кольцевой буртик штанги, фиксируя, тем самым, ее в определенном положении, а при разарретировании - освобождают штангу от фиксации. Кроме того, арретир используется при нагружении/разгружении поверяемых динамометров в режиме «НН». Меры силы, которыми нагружается штанга, а, следовательно, и поверяемый динамометр, представляют собой грузы из стальных хромированных дисков в средней секции и плит в нижней секции. Диски и плиты прокалиброваны на образцовых весах 3-го разряда и подвешены на траверсах ТР1 и ТР2 в средней и нижней секциях соответственно, которые с помощью электродвигателей ЭД3 и ЭД4 (по 5 шт. в каждой секции) перемещаются по резьбовым колоннам РК1 и РК2. Меры силы и траверсы по центру имеют отверстия для прохождения штанги. Штанга в сборе с реверсором РВ1 прокалибрована и представляет собой меру силы величиной 2 кН. Суммарный набор мер силы в режиме «НН» составляет 100 кН, что обеспечивает поверку динамометров с пределами измерения от 20 до 100 кН.
1
1
При поверке динамометров в режиме «НН» оператор, находящийся на мостике МС в непосредственной близости от поверяемого динамометра, с помощью переключателей пульта управления ПУ1 последовательно выполняет следующие операции: арретирует штангу, управляя электродвигателями ЭД1 и ЭД2; размещает поверяемый динамометр в зоне испытаний (динамометр сжатия в зоне «C» и динамометр растяжения в зоне «P») и перемещением траверсы ТР3 (электродвигатель перемещения траверсы на рис.3 не показан) по колоннам РК3 устанавливает требуемое расстояние между опорными площадками при поверке на сжатие и между захватами при поверке на растяжение; подвергает динамометр предварительному обжатию, для чего с помощью электродвигателей ЭД3 и ЭД4 перемещает вниз траверсы с мерами силы, образующими в сумме предельное значение силы для поверяемого динамометра, в результате чего меры силы накладываются на соответствующие поддоны штанги; разарретирует штангу и выдерживает заданную нагрузку обжатия в течение 5 минут; арретирует штангу и разгружает динамометр; разарретирует штангу и нагружает динамометр винтом верхнего домкрата арретира до минимально возможной величины силы; арретирует штангу винтом нижнего домкрата арретира; аналогично операции обжатия задает нагрузку, соответствующую первой поверяемой точке, а после разарретирования штанги визуально считывает показания с индикатора динамометра и вручную заносит их в протокол поверки; повторяет операции нагружения для остальных поверяемых точек, считывает показания с индикатора динамометра и заносит их в протокол; а после регистрации показаний индикатора динамометра на последней поверяемой точке в режиме нагружения в обратном порядке разгружает динамометр и снимает показания с его индикатора в тех же точках, что и при нагружении. Определение метрологических. характеристик динамометра регламентируется стандартом (ГОСТ 8.287-78. Динамометры образцовые переносные 3-го разряда. Методы и средства поверки) [8], в соответствии с которым погрешность динамометра определяется после его трехкратного нагружения/разгружения в точках, соответствующих 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 и 100% номинального значения силы, измеряемой динамометром.
Для работы машины в режиме «ОСМ» штанга ГШ арретируется и нагружающие устройства НУ1 и НУ2 соединяются рычагом ГР. Отношение длинного и короткого плеч рычага составляет 20/1, поэтому предел воспроизводимой машиной силы увеличивается в двадцать раз относительно режима «НН» и достигает величины 2000 кН.
2
2
2
2
В этом режиме работы машины поверяемые динамометры при заарретированной штанге размещаются в зоне сжатия «C» или подвешиваются в зоне растяжения «Р» реверсора РВ2 нагружающего устройства НУ2. Требуемое расстояние между опорами в зоне «C» и захватами в зоне «Р» устанавливается перемещением траверсы ТР4 (электродвигатель перемещения траверсы на рис.2 не показан). Перед поверкой установленный (подвешенный) динамометр после разарретирования штанги уравновешивается техническими разновесами таким образом, чтобы рычаг ГР принял строго горизонтальное положение. О горизонтальном положении рычага сигнализирует блок фотодатчиков (на рис.2 не показан), представляющий собой измерительный мост постоянного тока с фоторезисторами в противоположных плечах, которые освещаются лампами накаливания, и микроамперметром со средним нулевым положением, включенным в диагональ моста. Фоторезисторы от источников света закрыты флажком, жестко закрепленным на штанге ГШ. Когда ось рычага ГР смещена относительно горизонтального положения, флажок перекрывает рабочую площадь фоторезистора в одном плече моста больше, чем в противоположном плече. При этом измерительный мост разбалансирован и стрелка индикатора микроамперметра смещена относительно среднего положения. В случае горизонтального положения рычага флажок перекрывает ровно половину рабочей площади обоих фоторезисторов, мост находится в сбалансированном состоянии, а стрелка индикатора микроамперметра - в нулевом положении.
Режим «ОСМ» обеспечивает ручное и полуавтоматическое управление работой машины. В ручном режиме управления оператор, используя органы управления пульта ПУ2, выполняет операции поверки в следующей последовательности: производит обжатие динамометра; арретирует штангу; переключателями пульта управления задает нагрузку, соответствующую первой поверяемой точке; нажатием кнопки «пуск» накладывает заданные меры силы на поддоны штанги; разарретирует штангу, при этом рычаг ГР смещается относительно горизонтального положения; затем, нагружая поверяемый динамометр с помощью электродвигателя ЭД5, приводит рычаг ГР в горизонтальное положение. Разрешение на считывание показаний с индикатора динамометра дает блок фотодатчиков. Последующие поверяемые точки в режиме нагружения/разгружения задаются и контролируются аналогично.
В полуавтоматическом режиме оператор после обжатия динамометра последовательно задает нагрузки, соответствующие поверяемым точкам, штанга автоматически арретируется и меры силы накладываются на поддоны штанги, а оператор после получения разрешения от блока фотодатчиков считывает показания с индикатора поверяемого динамометра и заносит их в протокол поверки.
Режим «ОСМ» обеспечивает поверку динамометров с пределами измерения от 50 до 2000 кН.
Предлагаемая полезная модель относится к системе управления машиной в режиме «ОСМ».
Как видно из приведенного описания устройства и функционирования машины, управление в режиме «ОСМ» осуществляется вручную с помощью кнопочной станции (пульт управления ПУ2) и релейно-коммутационной аппаратуры, обеспечивающей управление электродвигателями, перемещающими меры силы, а также осуществляющими арретирование/разарретирование грузовой штанги и нагружение поверяемого динамометра через грузовой рычаг. При этом разрешение на снятие показаний с индикатора поверяемого динамометра дает блок фотодатчиков.
Используемая в машинах ОСМ2 система управления имеет низкий уровень автоматизации процесса поверки динамометров, требует визуального снятия показаний с индикатора поверяемого динамометра и ручного оформления протокола поверки, что приводит к значительным затратам времени и не исключает возможности появления субъективных ошибок со стороны оператора. К недостаткам системы управления так же следует отнести низкую чувствительность блока фотодатчиков, отрицательно влияющую на точность определения горизонтального положения грузового рычага машины.
Целью предлагаемой полезной модели является повышение уровня автоматизации работ при поверке динамометров и объективности определения их метрологических характеристик. Поставленная цель достигается за счет того, что:
1. Выход системного блока компьютера соединен с входом модуля преобразователя интерфейсов, выходом подключенного к входу модуля ввода/вывода, управляющего работой электродвигателей в соответствии с выходными сигналами концевых выключателей, выходы которых соединены с входами модуля ввода/вывода.
2. Выход блока фотодатчиков подключен к входу усилителя, выходом соединенного с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к входу системного блока компьютера.
3. Для передачи изображения шкалы индикатора поверяемого динамометра на экран монитора компьютера используется цифровая видеокамера, выходом соединенная с входом модуля видеозахвата, выход которого подключен к USB-входу системного блока компьютера.
Работа предлагаемой системы управления машиной поясняется структурной схемой, приведенной на рисунке 1, на которой, кроме того, показаны исполнительные устройства и функционально важные для понимания работы системы управления элементы конструкции.
Структурная схема предлагаемой полезной модели включает в себя системный блок 1 компьютера, модуль преобразователя интерфейсов 2, многоканальный модуль ввода/вывода 3, электродвигатели 4, меры силы 5, грузовую штангу 6, арретир 7, поверяемый динамометр 8, грузовой рычаг 9, концевые выключатели 10, блок фотодатчиков 11, усилитель 12, аналого-цифровой преобразователь 13, видеокамеру 14, модуль видеозахвата 15.
Система управления, приведенная на рис.1, работает следующим образом. Сигналы управления, сформированные системным блоком 1 компьютера, в соответствии с заданным алгоритмом работы машины после преобразования модулем преобразователя интерфейсов 2 (тип ADAM-4520 производства фирмы Advantech) поступают в многоканальный модуль ввода/вывода 3 (модули дискретного ввода типа I-7059D и дискретного вывода типа 1-7065D производства компании ICP DAS), который управляет электродвигателями 4(1)…4(10), осуществляющими наложение/снятие мер силы 5(1)…5(10) на грузовую штангу 6, а также электродвигателями 4(11) и 4(12) арретира 7 и электродвигателем 4(13) нагружения поверяемого динамометра 8 через грузовой рычаг 9, а выходные сигналы концевых выключателей 10(1)…10(20), контролирующих положение мер силы 5(1)…5(10) (навешены на грузовую штангу 6 либо сняты с нее), через модуль ввода/вывода 3 после преобразования модулем преобразователя интерфейсов 2 поступают в системный блок 1 компьютера. Одновременно с этим выходной сигнал измерительного моста блока фотодатчиков 11 после усиления усилителем 12 (усилитель введен для повышения чувствительности мостовой схемы блока фотодатчиков и, соответственно, более точного определения горизонтального положения грузового рычага машины) и преобразования аналого-цифровым преобразователем 13 в цифровой вид поступает в системный блок 1 компьютера. Компьютер по знаку выходного сигнала усилителя 12 определяет направление вращения электродвигателя 4(13), соответствующее нагружению/разгружению динамометра 8, а при нулевом сигнале на выходе усилителя 12 формирует сигнал, разрешающий отсчет показаний с индикатора динамометра 8, и отключает электродвигатель 4(13) от источника электропитания.
Предлагаемая система управления машиной может иметь следующие режимы работы: «ручной и полуавтоматический режимы «ОСМ», используемые для поверки механических динамометров типа ДОС, ДОР и ДОУ; «автоматический режим «ОСМ», используемый для поверки электрических динамометров типа ДОСЭ, ДОРЭ и ДЭСЭ, ДЭРЭ; «конец поверки»; «печать протокола».
В «ручном режиме «ОСМ» работа на машине в определенной степени отличается от работы машины в штатном исполнении за счет использования системного блока 1 компьютера и видеокамеры 14 (цифровая цветная видеокамера Vari-focal Lens модели DAY & NIGHT - производитель Корея), которая устанавливается в непосредственной близости от поверяемого динамометра 8 и направлена на его индикатор. Видеокамера с помощью модуля видеозахвата 15 (аналоговый рекордер серии U55 - производитель Китай), подключена к USB-порту компьютера и обеспечивает дистанционную передачу изображения шкалы индикатора динамометра 8 на экран его монитора (на рис.3 и 4 показаны фрагмент машины с видеокамерой, направленной на индикатор механического динамометра ДОС-2000 при его поверке, и экран монитора с видеоизображением шкалы индикатора динамометра ДОС-2000 соответственно). Оператор после загрузки программы испытаний, размещения динамометра 8 в зоне испытаний, его обжатия и обнуления шкалы индикатора задает режим испытаний («ручной режим «ОСМ») и заполняет протокол поверки динамометра, выведенный на экран монитора: вносит данные поверяемого динамометра, дату поверки, фамилию лица, выполняющего поверку, температуру воздуха в помещении и др. Нагружение/разгружение динамометра 8 осуществляется аналогично тому, как это делается при использовании аналога. Показания индикатора динамометра считываются оператором визуально с экрана монитора компьютера и вносятся в протокол поверки, выведенный на экран монитора.
«Полуавтоматический режим «ОСМ» также использует видеокамеру 14 и применяется при поверке механических динамометров и электрических динамометров, протокол обмена которых с компьютером неизвестен. Оператор после загрузки программы испытаний и осуществления установочных операций задает режим испытаний («полуавтоматический режим «ОСМ»), заносит в протокол, выведенный на экран монитора, поверяемые точки и количество нагружений/разгружений, после чего вводит данные поверяемого динамометра 8 и другие необходимые сведения в протокол поверки. Запуск машины производится нажатием на экране монитора компьютера кнопки «пуск». В процессе нагружения/разгружения динамометра 8 осуществляется автоматическое арретирование и разарретирование штанги 6, наложение соответствующих мер силы 5(1)…5(10) на штангу и их снятие. При срабатывании на экране монитора индикатора «отсчет» оператор визуально считывает показания с индикатора динамометра 8 и заносит их в выведенный на экран монитора протокол поверки.
«Автоматический режим «ОСМ» служит для поверки электрических динамометров с известным протоколом обмена между поверяемым динамометром и компьютером. В этом режиме работы выход поверяемого динамометра подключается к СОМ-порту управляющего компьютера и после загрузки программы испытаний, выполнения установочных операций и предварительного заполнения протокола поверки по команде «пуск» машина автоматически проводит обжатие динамометра и его поверку в соответствии с разработанным алгоритмом.
Обработка результатов поверки и формирование протоколов во всех рассмотренных режимах работы производится автоматически.
Режим работы «конец поверки» определяет формирование файла с протоколом поверки испытанного динамометра, который может быть отпечатан после перехода в режим «печать протокола».
Предлагаемая полезная модель позволяет полностью автоматизировать процесс поверки электрических динамометров в режиме «ОСМ», сократить время поверки механических динамометров за счет автоматизации обсчета результатов поверки и оформления протоколов и повысить достоверность определения метрологических характеристик поверяемых динамометров за счет повышенной чувствительности мостовой схемы блока фотодатчиков.
Система управления машиной по предлагаемой полезной модели прошла опробацию в процессе модернизации образцовой силоизмерительной машины 2-го разряда ОСМ2-200-10, эксплуатируемой во ФГУП «РОСТЕСТ», г.Москва.
Использованная литература
1. Образцовые динамометры 2-го разряда ДО2-5 и ДО2-100 // Сводный каталог «Испытательные машины». - М.: ОНТИприбор. - 1966. - С.79-81.
2. Образцовые силоизмерительные машины ОСМ2-50, ОСМ2-100-5 и ОСМ2-200-10 // Сводный каталог «Испытательные машины и стенды». - М.: ОНТИприбор. - 1967. - С.13-15.
3. ГОСТ 8.065-85. Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерения силы.
4. ГОСТ 9500-84. Динамометры образцовые переносные. Общие технические требования.
5. Роженцев B.C., Прокопенко Ю.Д., Мараховский А.В. и др. Новые гидравлические разрывные машины для стандартных испытаний металлопродукции // Заводская лаборатория. - 2010. - №4. - С.61-63.
6. Виктор Роженцев, Анатолий Новиков, Александр Шаманин и др. Автоматизированная система для определения механических свойств материалов // Современные технологии автоматизации. - 2007. - №2 - С.72-78.
7. Ю.Д.Прокопенко, А.С.Кастанов, B.C.Роженцев. Испытательные прессы нового поколения // ПРИБОРЫ. - 2006. - №5. - С.14-16.
8. ГОСТ 8.287-78. Динамометры образцовые переносные 3-го разряда. Методы и средства поверки.