АКУСТИЧЕСКИЙ ПРОФИЛОМЕР
ACOUSTIC PROFILER

Изобретение относится к области метрологии, в частности к средствам измерения расстояний, размеров и формы различных объектов, в том числе относящихся к судостроению.
Важной и распространенной технологической задачей при строительстве, ремонте кораблей и судов, а также при освидетельствовании их в эксплуатации является контроль местных деформаций и отклонений размеров и формы, указанных в конструкторской документации, например, от чертежа наружной обшивки корпусных конструкций.
При этом к основным видам контролируемых дефектов относятся: бухтиноватость, разностенность и «домики». Бухтиноватость определяет местные деформации полотнища (обшивки) и набора в виде выпучины или вмятины. Разностенность определяет несовмещение поверхностей листов (набора) у перекрестных связей или вдоль стыка (паза). «Домик» определяет местную деформацию полотнища (обшивки) и набора в районе стыковых или пазовых соединений корпусных конструкций.
Традиционный способ контроля местных деформаций регламентирован ОСТ 5.9079-80 «Отраслевой стандарт. Комплексная система контроля качества. Деформации местные сварных корпусных конструкций. Нормы и методы контроля». Этот способ основан на использовании простой механической оснастки: прикладываемых к поверхности измерительных металлических линеек, вставляемых под них щупов, а также прибора - бухтиномера, измеряющего стрелки прогибов обшивки (аналог устройства). В состав бухтиномера входят: направляющая, выдвижные штанги с опорами, каретка, подпружиненный щуп с измерительной линейкой и контактным роликом. Для определения границ впадин и выпучин, их стрелки прогиба, а также измерения разностенности по стыковым швам каретка с линейкой перемещается вдоль направляющей. Предел допускаемой погрешности измерения бухтиномером ±1 мм, пределы измерения ±20 мм, масса 3 кг.
Указанное устройство - аналог имеет следующие недостатки: низкая точность; узкие пределы измерения; трудоемкость и субъективность визуального отсчета геометрических параметров по продольной и поперечной линейкам; сложность устойчивого удержания инструмента и ручного перемещения каретки с одновременной записью данных измерения при работе на наклонных поверхностях конструкций.
Известно трехкоординатное устройство измерения расстояния до различных точек поверхности объекта по патенту РФ №2260772, принятое за прототип. Это устройство содержит жезл с заостренным наконечником и пусковой кнопкой, на котором закреплены два разнесенных по длине акустических излучателя, трехмикрофонную приемную антенну, трехканальный электронный блок, подключенный к общему интерфейсу и ЭВМ. Патентовладельцем был изготовлен, испытан и передан в опытно-промышленную эксплуатацию опытный образец локационно-акустической измерительной станции «ЛАИС», реализующей указанное изобретение (журнал «Вестник технологии судостроения» №15, 2007 г.).
Однако указанное устройство - прототип - имеет некоторые недостатки, а именно: ограниченная точность ±1,5 мм измерения координат контрольных точек, связанная, в частности, с инерционностью пьезоэлектрических излучателей жезла, уменьшающей крутизну фронта акустического импульса; неопределенность базирования микрофонов антенны относительно поверхности контрольных точек; неопределенность базирования акустического жезла относительно микрофонной антенны.
Задачей заявленного устройства, является создание электронного компьютеризированного измерителя профиля поверхности на акустических принципах снятия информации, применение которого обеспечит такой технический результат как существенное повышение точности и снижение трудоемкости при контроле местных деформаций во многих областях промышленности, в том числе при замерах наружной обшивки судовых корпусных конструкций.
Указанный технический результат достигается в техническом решении акустического профиломера, который содержит жезл с двумя акустическими излучателями, пусковую кнопку и наконечник, контактирующий с поверхностью измеряемого объекта, акустический приемник с тремя микрофонами, снабженными формирователями переднего фронта импульса и закрепленными в вершинах жесткого треугольника, а также подключенный к общему интерфейсу и ЭВМ трехканальный электронный блок, каждый канал которого включает последовательно соединенные полосовой усилитель, компаратор и счетчик измерителя временных интервалов. При этом акустический приемник выполнен в виде равносторонней треугольной антенны, установленной на опорные точки, причем центры двух микрофонов должны быть расположены на оси, перпендикулярной плоскости ее опорных точек. Кроме того, фронтальная поверхность антенны закрыта звукоизолирующим экраном с отверстиями для микрофонов, на поверхности экрана между расположенными на оси микрофонами размещена мишень диаметром порядка 20 мм с перекрестием в центре, а между излучателями установлен лазерный целеуказатель.
При этом соблюдаются следующие условия:
1
2
i
2
3
4
L=L; h≈h, h≈h, где
1
L - расстояние между центрами микрофонов, расположенных на оси;
2
L - расстояние между центрами излучателей (электродинамиков);
1
h - расстояние от плоскости опорных точек антенны до центра нижнего микрофона;
2
h - расстояние от контактирующей точки наконечника жезла до центра нижнего излучателя (электродинамика);
3
h - расстояние от плоскости опорных точек антенны до центра мишени;
4
h - расстояние от контактирующей точки наконечника жезла до центра лазерного целеуказателя.
В частном случае заявляемого решения корпус антенны акустического профиломера может быть выполнен в виде единой печатной платы, на которой собраны микрофоны, формирователи переднего фронта импульса и электронный блок с разъемом.
В другом частном случае в качестве акустических излучателей жезла могут быть использованы индуктивные электродинамики с верхним значением частотного диапазона не менее 25 кГц.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется схемой расположения узлов акустического профиломера во время процесса измерения (фиг.1) и двумя фотографиями макета акустического профиломера (фиг.2 и 3).
Акустический профиломер состоит из следующих узлов:
- акустического излучающего жезла 12 с пусковой кнопкой 14 и наконечником 13, который устанавливается на поверхности измеряемого объекта 1; на жезле 12 установлены два акустических излучателя 15, представляющие собой индуктивные электродинамики с верхним значением частотного диапазона не менее 25 кГц, между которыми установлен лазерный целеуказатель 16; жезл 12 соединен с электронным блоком 4 кабелем 11, электронный блок соединен с ЭВМ (ультрабуком) кабелем 10;
- равносторонней треугольной микрофонной приемной антенны 2, корпус которой установлен на трехточечное основание 8 и выполнен в виде единой печатной платы 3, на которой собраны микрофоны 5, их предварительные усилители и электронный блок 4 с разъемом 6 для подключения к ЭВМ 9; для устойчивости корпуса антенны допускается его магнитный или вакуумный прижим к поверхности измеряемого объекта 1 при условии расположения центров двух микрофонов 5 на координатной оси (У), перпендикулярной к плоскости опорных точек основания 8;
- звукоизолирующего экрана 7, закрывающего фронтальную поверхность печатной платы (корпуса антенны) 3, с отверстиями, открывающими микрофоны; экран предназначен для защиты микрофонов от акустических помех, которые могут проходить по жесткому корпусу печатной платы, облученной акустическими импульсами жезла; на фронтальной поверхности экрана 7 между микрофонами, расположенными на оси, размещена мишень 17 диаметром порядка 20 мм с перекрестием в центре.
2
1
1
2
3
4
Соотношения равенства расстояния между центрами динамиков (L) с расстоянием между центрами микрофонов (L) и приблизительного равенства расстояния от плоскости опорных точек антенны до центра нижнего микрофона (h) с расстоянием от контактирующей точки наконечника жезла до центра нижнего излучателя (h), а так же расстояния от плоскости опорных точек антенны до центра мишени (h) с расстоянием от контактирующей точки наконечника жезла до центра лазерного целеуказателя (h).
5
Работа с помощью заявленного устройства производится следующим образом. Одну из сторон антенны 2, перпендикулярную к плоскости ее опорных точек и соединяющую центры двух микрофонов 5, принимают за координатную ось (Y) и располагают ее на объекте контроля 1 в створ размеченной трассы расположения контрольных точек измеряемого профиля конструкции на расстоянии (h) (около размера стороны антенны) до ближайшей контрольной точки 18. Наконечник жезла 13 устанавливают поочередно в каждую контрольную точку, располагая жезл 12 близко к параллельности с координатной осью антенны с помощью лазерного целеуказателя 16, затем нажимают пусковую кнопку 14 для посылки акустических сигналов от жезла к антенне.
Измерение трехмерных координат контрольных точек профиля производится в системе координат трехмикрофонной антенны, где началом координат является центр нижнего микрофона, ось X поперечная в плоскости антенны, ось Z продольная, перпендикулярная к плоскости антенны, как показано на фиг.1.
Измерение координат осуществляется посредством измерений расстояний от центра источника импульсов до каждого из приемников, которые определяются по формуле
i
i
L=Ct,
где С - скорость звука в воздухе в м/с;
i
t - время распространения акустического импульса от электродинамика до микрофона в с, которое измеряется счетчиком времени, запускаемым одновременно с излучением акустического импульса и останавливаемым в момент прихода акустического импульса к микрофону.
i
По полученным расстояниям L и известным геометрическим параметрам конфигурации расположения микрофонов по триангуляционному методу выполняются вычисления координат центра источника импульсов в системе координат измерительного пространства станции, при этом используется ЭВМ и соответствующее программное обеспечение.
Измерение осуществляют циклами в два такта. В первом такте излучает один динамик, и определяются описанным выше способом координаты центра первого динамика. Во втором такте излучает второй динамик, и определяются координаты центра второго динамика. Зная расстояние от острия измерительного наконечника до центра ближнего динамика, а также расстояние между центрами динамиков вычисляют координаты острия измерительного наконечника. Полный цикл осуществляется автоматически. Таким образом, определяют координаты любой точки поверхности измеряемого объекта, в которую помещают острие измерительного наконечника, что позволяет измерить параметры бухтиноватости (d1), разностенности (d2) и домиков (d3), а также любого другого профиля поверхности.
Измерительное устройство с указанной совокупностью признаков было создано и успешно испытано на лабораторной базе заявителя. Макетный образец устройства представлен на прилагаемых фотоснимках (фиг.2 и 3). В процессе испытаний была достигнута точность измерения выступов и впадин эталонной ребристой пластины ±0,2 мм с автоматической регистрацией измеренного профиля на экране ЭВМ (ультрабука).