Устройство для бесконтактного измерения шероховатости поверхности

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована для определения параметров шероховатости внутренней поверхности труб, знание которых необходимо, в частности, при расчете пропускной способности труб и гидравлических потерь напора по длине трубопроводов.
Известен целый ряд устройств, предназначенных для измерения шероховатости поверхности, основанные на получении с помощью цифровых оптических систем цифровых изображений микрорельефа поверхности, анализ элементов которых позволяет рассчитать параметры шероховатости с помощью соответствующих программ ЭВМ (см., например RU 4533, RU 93970, RU 109549,).
Достоинством указанных устройств является то, что они основаны на бесконтактном методе контроля поверхности и позволяют оперативно получить необходимый и достаточный объем данных для определения параметров шероховатости выбранного участка поверхности изделия.
Однако для измерения шероховатости различных участков поверхности требуется ручная переустановка изделий или рассматриваемых устройств. Кроме того, рассматриваемые устройства не приспособлены для измерения шероховатости внутренней поверхности труб.
В качестве ближайшего аналога выбрано устройство для бесконтактного измерения шероховатости поверхности изделия [RU 104697].
Данное устройство содержит корпус, в котором закреплены источник освещения, снабженная объективом цифровая оптическая система, выполненная с возможностью формирования цифрового изображения микрорельефа исследуемой поверхности изделия, а также подключенный к цифровой оптической системе контроллер, предназначенный для передачи цифрового изображения в ЭВМ. Цифровая оптическая система устройства включает фотопреобразователь, который преобразует изображение микрорельефа поверхности в электрический сигнал, а также электронный блок, который обрабатывает полученное изображение и преобразует его в цифровую форму. Корпус закреплен на штанге, установленной на горизонтальном основании, при этом корпус смонтирован с возможностью вращения на штанге с помощью привода.
Данное устройство обеспечивает получение цифрового изображения микрорельефа поверхности изделия, передаваемого в ЭВМ, где создается объемная модель указанного микрорельефа, по параметрам которой определяют параметры шероховатости поверхности. При этом, поскольку корпус закреплен с возможностью изменения своего пространственного положения относительно изделия (с возможностью поворота в горизонтальной плоскости), рассматриваемое устройство позволяет измерить шероховатость различных участков поверхности изделия без его переустановки, что является важным для контроля шероховатости изделий сложной формы.
Однако данное устройство не приспособлено для измерения шероховатости внутренней поверхности труб.
Проблемой, решаемой при реализации заявляемой полезной моделью, является создание устройства, обеспечивающего возможность бесконтактного измерения шероховатости различных участков внутренней поверхности трубчатых изделий.
Сущность полезной модели заключается в том, что устройство для бесконтактного измерения шероховатости поверхности изделия, содержащее корпус, расположенные в корпусе источник освещения и снабженную объективом цифровую оптическую систему, установленные с обеспечением получения цифрового изображения микрорельефа контролируемой поверхности, содержащего данные для определения параметров шероховатости поверхности с помощью ЭВМ, а также расположенный в корпусе и соединенный с цифровой оптической системой контроллер, выполненный с возможностью передачи указанных изображений в ЭВМ, при этом корпус смонтирован с возможностью изменения своего пространственного положения с помощью привода, согласно полезной модели устройство смонтировано на подвижном основании, выполненном с возможностью продольного перемещения в горизонтальной плоскости, при этом корпус смонтирован с возможностью вращения, обеспечивающего круговое перемещение объектива цифровой оптической системы в плоскости, встречно ориентированной по отношению к оси продольного перемещения основания, а также с возможностью продольного перемещения, обеспечивающего установку объектива цифровой оптической системы на заданном удалении от контролируемой поверхности.
Заявляемое устройство обеспечивает получение цифрового изображения микрорельефа участков поверхности с помощью цифровой оптической системы и передачу их в контроллер, выполненный с возможностью связи с ЭВМ (с компьютером). Компьютерный анализ получаемых от контроллера цифровых снимков, осуществляемый с помощью специализированных компьютерных программ, позволяет определить параметры шероховатости исследуемой поверхности.
В качестве цифровой оптической системы, могут быть, в частности, использован цифровой оптический прибор на ПЗС матрице (цифровая фотокамера, цифровой фотоаппарат с разрешением снимка не менее 3 мегапикселей), параметры которого (уровень разрешения, фокусное расстояние, степень раскрытия диафрагмы, расстояние до исследуемой поверхности и прочее) обеспечивают достаточную степень детализации элементов микрорельефа (выступов, впадин), по характеристикам которых в ЭВМ определяются высотные и шаговые параметры шероховатости на базовой длине.
В качестве источника света, использован, в частности, светодиодный источник света.
В качестве контроллера, в частности, использован микропроцессорный контроллер последовательного действия, совместимый с компьютером.
Принципиально важным в заявляемом устройстве является возможность изменения с помощью привода пространственной ориентации корпуса описанным выше образом.
Установка корпуса на подвижном основании, выполненном с возможностью продольного перемещения в горизонтальной плоскости, обеспечивает продвижение устройства по поверхности изделия и установку его на выбранном для исследования участке поверхности. В том числе, применительно к трубчатому изделию (трубе) указанное перемещение обеспечивает продвижение устройства по внутренней поверхности трубы и установку его в выбранном поперечном сечении трубы для получения изображения микрорельефа участка ее внутренней поверхности, расположенного в данном сечении.
В качестве основания могут быть использованы такие средства перемещения, как тележка, платформа, транспортер, приводимые в движение с помощью привода, в частности, дистанционно управляемого электропривода.
Монтаж корпуса с возможностью его вращения, обеспечивающего круговое перемещение объектива в плоскости, расположенной встречно, в частности, расположенной перпендикулярно, по отношению к оси продольного перемещения основания, позволяет осуществить при различных положениях объектива цифровую съемку микрорельефа различных радиально расположенных относительно оси вращения корпуса участков поверхности.
Указанное перемещение объектива достигается за счет вращения корпуса вокруг оси, ориентированной в направлении продольного перемещения основания, в частности, ориентированной параллельно указанной оси, и за счет позиционирования объектива в корпусе таким образом, что при вращении корпуса вокруг указанной оси оптическая ось объектива сохраняет нормальное положение относительно оси вращения.
Указанное вращение корпуса обеспечивается путем использования в устройстве вращательного механизма (редуктора, муфты, шарнирного механизма и прочее), кинематически связанного с корпусом и приводимого в движение с помощью привода, в частности, дистанционно управляемого электропривода.
При этом, поскольку корпус установлен на подвижном основании, важным является обеспечить такое их взаимное расположение, при котором основание не препятствует вращению корпуса. В частности, корпус закреплен на соединенном с основанием кронштейне, обеспечивающем установку корпуса вне границ основания.
Применительно к трубе за счет описанного вращательного движения оказывается возможным получить цифровое изображение различных участков ее внутренней поверхности в выбранном поперечном сечении.
Монтаж корпуса с возможностью поступательного перемещения, обеспечивающего установку объектива цифровой оптической системы на заданном удалении от контролируемой поверхности, позволяет задавать расстояние от исследуемой поверхности до объектива в зависимости от диаметра трубы, а также требуемое для получения более качественных изображений поверхности.
Указанное поступательное перемещение корпуса достигается путем использования в устройстве механизма поступательного перемещения (реечного, ползункового и прочее), приводимого в движение с помощью привода, в частности, дистанционно управляемого электропривода. В частности, может быть использован механизм поступательного перемещения, обеспечивающий изменение положения оси вращения корпуса в вертикальном и/или горизонтальном направлениях, или механизм поступательного перемещения, обеспечивающий изменение положения корпуса относительно оси вращения.
Таким образом, техническим результатом заявляемой полезной модели является создание устройства, обеспечивающего возможность бесконтактного измерения шероховатости различных участков внутренней поверхности трубчатых изделий.
Анализ шероховатости внутренней поверхности трубы в нескольких выбранных поперечных сечениях и на нескольких участках в указанных сечениях позволяет получить более точные дифференцированные характеристики шероховатости поверхности, а, следовательно, более точно рассчитать гидравлические потери в трубах, что имеет большое практическое значение.
При этом габаритные размеры и конструктивное исполнение корпуса, основания и прочих узлов устройства выбираются с учетом возможности размещения его внутри исследуемого трубчатого изделия, а также с учетом необходимости сохранения устойчивого положения при продольном перемещении по вогнутой внутренней поверхности трубчатого изделия.
В случае, когда корпус установлен с возможностью продольного перемещения с помощью привода в направлении, нормальном к оси перемещения основания, обеспечивается возможность расположения объектива на различном удалении от поверхности изделия, в том числе, от внутренней поверхности трубчатого изделия. Это способствует получению контрастных изображений внутренней поверхности трубчатых изделий, в том числе, для ряда трубчатых изделий разного диаметра.
На фигуре представлен общий вид заявляемого устройства.
Устройство содержит подвижное основание 1, выполненное, в частности, в виде платформы на колесах, снабженной приводом продольного перемещения (на чертеже не показан), обеспечивающим ее движение в горизонтальной плоскости по оси А-А.
Устройство также содержит корпус 2, в частности, имеющий коробчатую форму, соединенный с платформой 1, в частности, с помощью кронштейна 3. В корпусе 2 закреплены источник света 4, цифровая оптическая система 5 с объективом 6 и соединенный с цифровой оптической системой 5 микропроцессорный контроллер 7, выполненный с возможностью связи с компьютером (на чертеже не показан.) При этом корпус 2 снабжен отверстиями, в которых установлены объектив 6 и источник света 4.
Корпус 2 смонтирован на валу 8, установленном с возможностью вращения вокруг оси В-В, параллельной оси А-А, в частности, вокруг центральной продольной оси корпуса 2, с помощью привода 9.
Устройство содержит механизм поступательного перемещения 10, обеспечивающий продольное перемещение вала 8 с корпусом 2, в частности, в вертикальном направлении.
Устройство работает следующим образом.
Устройство помещают во внутреннюю полость трубы 11 и с помощью привода продольного перемещения приводят в движение платформу 1. На выбранном участке длины трубы 11 (в ее выбранном поперечном сечении) с помощью указанного привода останавливают движение платформы 1.
При необходимости с помощью механизма 10 изменяют уровень расположения вала 8 и, соответственно, уровень расположения корпуса 2 с объективом 6 относительно донной части трубы 11.
Световой поток от источника света 4 освещает контролируемый участок внутренней поверхности трубы 11. С помощью цифровой оптической системы 5, снабженной объективом 6, получают цифровое изображение микрорельефа исследуемого участка поверхности трубы 11, которое передается в контроллер 7.
При необходимости приводят вал 8 во вращение и изменяют угловое положение корпуса 2 и, соответственно, объектива 6. Аналогичным образом осуществляют цифровую съемку любого другого контролируемого участка внутренней поверхности трубы 11 в выбранном поперечном сечении.
При необходимости аналогичным образом осуществляют цифровую съемку еще одного или нескольких контролируемых участков внутренней поверхности трубы 11 в выбранном поперечном сечении, задавая другие угловые положения корпуса 2 с объективом 6 для накопления массива результатов измерений.
Перемещают платформу 1 на другой участок по длине трубы 11 (в другое ее поперечное сечение) и производят цифровую съемку описанным выше образом.
Контроллер 7 обеспечивает передачу полученных цифровых изображений различных участков внутренней поверхности трубы 11 в компьютер (на чертеже не показан), где осуществляется анализ массива полученных данных с помощью специализированных программ и вычисляются усредненные параметры шероховатости внутренней поверхности трубы 11, используемые для прогнозирования пропускной способности труб и расчета гидравлических потерь на трение в них.