УСТРОЙСТВО И СПОСОБ КОНТРОЛЯ ОСТРОТЫ РЕЖУЩЕЙ КРОМКИ
DEVICE AND METHOD OF CUTTING EDGE SHARPNESS CONTROL

Область техники
Предлагаемое изобретение относится к устройству для контроля остроты режущей кромки ножа, в частности вращающегося ножа ножевого барабана уборочной машины, например, полевого измельчителя, пресс-подборщика или иной подобной машины.
Уровень техники
В патентной заявке ЕР 152214 D1 описано устройство для контроля остроты режущей кромки ножа, содержащее источник света, предназначенный для освещения ножа, камеру для выполнения снимков ножа, освещенного источником света, и устройство контроля, в котором снимки, сделанные камерой, подвергаются обработке с целью оценки остроты режущих кромок ножа путем сравнения с заданным контуром. Камера направлена, по существу, таким образом, чтобы она была ориентирована радиально по отношению к оси барабана, на которую посажены ножи, то есть чтобы режущая кромка ножа, направленного к камере, на сделанных камерой снимках выглядела, по существу, тонкой линией между двумя областями, соответствующими боковым поверхностям ножа. На контур ножа на сделанных камерой снимках влияет не притупление режущей кромки, а только ширина линии между двумя боковыми поверхностями. Это затрудняет точную оценку остроты режущей кромки.
Раскрытие изобретения
Задачей предлагаемого изобретения является усовершенствование устройства указанного типа, которое позволит реализовать безопасную и надежную оценку остроты режущей кромки простыми средствами.
С одной стороны, задача решена устройством для контроля остроты режущей кромки ножа, содержащим источник света для освещения ножа, и камеру для получения снимков ножа, причем источник света выполнен с возможностью проецирования по меньшей мере одной опорной линии, пересекающей режущую кромку ножа в поле зрения камеры, при этом линию контура анализируют с целью получения значений остроты режущей кромки. Опорная линия следует контуру ножа и тем самым имеет в области режущей кромки кривизну, непосредственно связанную с радиусом кривизны и, следовательно, с остротой режущей кромки.
Таким образом, при анализе профиля опорной линии на снимках, сделанных камерой, можно надежно количественно оценить остроту режущей кромки.
Согласно предпочтительному варианту исполнения, опорная линия представляет собой освещенную линию, ограниченную с обеих сторон неосвещенными областями. Такая опорная линия может быть спроецирована, например, за счет того, что свет из источника света проходит через щелевую диафрагму.
Резкая граница между освещенной и неосвещенной областью ножа может также служить опорной линией; такая граница может быть получена, например, путем затенения части луча источника света, на, предпочтительно, прямоугольной кромке.
Кроме того, опорная линия в виде освещенной линии может быть получена, предпочтительно, за счет того, что на пути луча источника света к ножу помещен цилиндрический оптический элемент, например цилиндрическая линза или цилиндрическое зеркало или вращающийся оптический элемент. Если источник света генерирует широкий веерный световой конус, например, в случае использования лампы накаливания, то цилиндрический оптический элемент может служить для фокусировки светового конуса на линейной освещаемой области.
Согласно предпочтительному варианту исполнения, источник света генерирует узко фокусированный луч; в этом случае цилиндрический оптический элемент может проецировать опорную линию за счет того, что он рассеивает фокусированный луч по плоскости.
С помощью вращающегося оптического элемента опорную линию можно проецировать в течение периода выполнения контроля за счет того, что фокусированный луч источника света перемещается по ножу. Нет необходимости в том, чтобы опорная линия была полностью видна в любой момент времени; для целей изобретения будет достаточно, если фокусированный луч в течение периода оборота вращающегося элемента будет постепенно рисовать опорную линию на ноже. В частности, в качестве источника света, генерирующего узко фокусированный луч, подойдет лазер.
Чтобы получить возможность измерения остроты движущегося ножа, разумно предусмотреть возможность работы камеры с малой выдержкой.
Если источник света генерирует свет вне периода выдержки камеры, этот свет нельзя будет использовать для измерения остроты. Таким образом, в целях экономии энергии разумно использовать импульсный источник света. Кроме того, импульсный источник света позволяет выполнять измерения на движущемся ноже даже в том случае, если время выдержки камеры превышает длительность импульса источника света и слишком велико для фиксации движения ножа.
Если нож установлен на вращающемся барабане, как это обычно имеет место в уборочных машинах, то пусковое устройство для синхронизации работы камеры и/или импульсного источника света, по существу, связано с вращением барабана. То есть снимки можно получать за счет того, что положение режущей кромки является воспроизводимым и предсказуемым. Для устройства обработки изображений, подсоединенного на следующем этапе, это означает упрощение поиска режущей кромки на снимках, сделанных камерой, и тем самым сокращение затрат на обработку.
Предпочтительно, источник света и камера установлены на опоре, выполненной с возможностью перемещения вдоль режущей кромки. Путем перемещения опоры опорную линию можно смещать вдоль режущей кромки ножа, а остроту режущей кромки можно определять в нескольких точках режущей кромки. За счет определения средних измеренных значений остроты режущей кромки в различных точках режущей кромки (или нескольких режущих кромок одного барабана) можно избежать неправильной оценки, которую можно получить, например, при измерении только на оконечности ножа.
По существу, пусковое устройство можно установить на одной опоре с источником света и камерой, что позволит перемещать его вдоль режущей кромки вместе с ними. Тем самым, можно гарантировать, что режущая кромка ножа на снимках, сделанных камерой, будет всегда располагаться в одном положении, даже если нож ориентирован под углом к оси барабана.
Предпочтительно, источник света и/или камера помещены в корпус, который может быть нагружен сжатым газом. В связи с тем что сжатый газ выходит из корпуса, в частности, в направлении исследуемого ножа, можно предотвратить или, по меньшей мере, ограничить попадание разрезаемого материала в корпус и загрязнение оптических поверхностей источника света и/или камеры разрезаемым материалом.
Аналогичным образом движущийся затвор, который может быть помещен между источником света и ножом и/или между камерой и ножом, может ограничивать скопление грязи на оптических поверхностях источника света и камеры.
Чтобы кривизна опорной линии на режущей кромке была отчетливо видна на снимках, сделанных камерой, направление падения луча источника света на режущую кромку и направление обзора камеры на режущую кромку образуют угол, составляющий не менее 45° и не более 135°, предпочтительно от 60° до 90°.
Кроме того, задача изобретения решена способом контроля остроты режущей кромки ножа, который содержит следующие этапы: проецирование на нож, по меньшей мере, одной опорной линии, пересекающей режущую кромку ножа; выполнение снимка опорной линии; анализ остроты режущей кромки на основании формы опорной линии на снятом изображении.
Краткое описание чертежей
Признаки и преимущества изобретения раскрываются в последующем описании примерных вариантов исполнения со ссылкой на прилагаемые фигуры, на которых изображено:
Фигура 1: схематичный вид полевого измельчителя в качестве примера уборочной машины, описываемой изобретением;
Фигура 2: вид в аксонометрии барабана измельчителя и устройства, установленного на нем и предназначенного для контроля остроты режущей кромки в соответствии с изобретением;
Фигура 3: схематичный вид ножа со стороны камеры устройства, предназначенного для контроля остроты режущей кромки;
Фигура 4: пример снимка, сделанного камерой устройства, предназначенного для контроля остроты режущей кромки;
Фигура 5: схематичный разрез устройства контроля остроты режущей кромки, которое можно перемещать вдоль исследуемого ножа.
Осуществление изобретения
На фигуре 1 представлен полевой измельчитель 1 с устройством, предназначенным для контроля остроты режущей кромки в соответствии с настоящим изобретением. Полевой измельчитель 1 оснащен шасси 4, рамой 6, навесным оборудованием 8, установленным в передней части рамы 6 и предназначенным для захвата убираемой культуры с поля и подачи убираемого материала в подающий канал и в измельчающий блок 10, дополнительный ускоритель 12 и разгрузочный желоб 14 на раме 6, которые установлены друг за другом на подающем канале, а также двигателем 15, предназначенным для приведения в движение шасси 4 и подвижных частей подборщика 8, измельчителя 10 и дополнительного ускорителя 12.
Подборщик 8 полевого измельчителя 1 является сменным оборудованием. На фигуре 1 подборщик 8 представляет собой кукурузную жатку. Вместо нее можно установить другие типы оборудования, например, для перемещения стоячих зеленых стеблей или для захвата лежачего сена в валках.
Измельчитель 10 содержит приводимый во вращение измельчительный барабан 16, в который установлены измельчающие ножи 18, равномерно распределенные по его периметру. Вращающиеся измельчающие ножи 18 вместе с неподвижными противорежущими кромками 20 образуют режущий зазор, в котором поступающая убранная культура разрезается, попадая на подающие ролики 22.
Как показано на фигуре 2 (вид в аксонометрии измельчительного барабана 16), каждый измельчающий нож 18 проходит только через левую или правую половину измельчительного барабана 16 и смещен относительно другого ножа в направлении вдоль окружности на центральной плоскости измельчительного барабана 16 на половину расстояния между каждой парой ножей. В остальном режущие кромки 48 измельчающих ножей 18 ориентированы под углом к оси 24 вращения измельчительного барабана 16, благодаря чему при вращении измельчительного барабана 16 точки, в которых измельчающие ножи 18 и неподвижные противорежущие кромки 20 пересекаются, смещаются в осевом направлении. Учитывая, что каждый измельчающий нож 18 выполняет резание только в одной точке, снижается риск блокировки измельчительного барабана 16 при избыточной подаче убранной культуры.
Устройство 28 для контроля остроты режущей кромки измельчающих ножей 18 содержит источник 36 света, в данном случае, лазер 37, и камеру 44. Лазер 37 испускает луч 38 в направлении одного из измельчающих ножей 18. Лучеобразующее оптическое устройство, в данном случае, цилиндрическая линза 40, помещена между лазером 37 и измельчающим ножом 18 и предназначена для рассеивания луча 38 по плоскости, пересекающей измельчающий нож 18. Рассеянный луч 38 освещает опорную линию 52 на поверхности измельчающего ножа 18, пересекающую режущую кромку измельчающего ножа 18. Камера 44 предназначена для контроля опорной линии 52 под ненулевым углом к плоскости рассеянного луча 38, обычно под углом от 45° до 135°.
В левой части фигуры 3 показан измельчающий нож 18 и опорная линия 52, спроецированная на него, под углом зрения камеры 44. С этого направления профиль опорной линии 52 отражает поперечный разрез измельчающего ножа 18. Измельчающий нож содержит две пологие боковые поверхности 50 по обеим сторонам от режущей кромки 48, причем каждый прямолинейный участок 61 опорной линии проходит по одной из боковых поверхностей 50.
В правой части фигуры 3 показан увеличенный фрагмент измельчающего ножа 18 с опорной линией 52. Здесь видно, что режущая кромка 48 имеет отличную от нуля ширину, и что линейные участки 61 не пересекаются друг с другом на режущей кромке 48 под острым углом, но соединяются дугообразным участком 60.
Предусмотрен блок 62 анализа изображений (см. стр. 2), соединенный с камерой 44 и предназначенный для анализа остроты режущей кромки 48 при помощи профиля опорной линии 52, в частности ее дугообразного участка 60 на снимках, сделанных камерой 44.
Такой анализ остроты может включать, например, расчет наименьшего радиуса r кривизны дугообразного участка 60. Чем меньше найденный радиус r кривизны, тем острее режущая кромка 48; если наименьший радиус r кривизны превышает предельное значение, можно заключить, что режущая кромка 48 затупилась и требует заточки.
Другая возможность заключается в экстраполировании линейных участков 61 опорной линии 52 линейным образом до точки пересечения в блоке 62 анализа изображений, как показано на фигуре 3 пунктирными линиями 58, и в расчете зазора d между точкой пересечения линий 58 и вершины дугообразного участка 60 или зазора между точкой пересечения линий 58 и приближенной точкой на дуге 60. В этом случае большое значение зазора d также говорит о притупившейся режущей кромке 48. То есть если зазор d превышает предельное значение, требуется заточка.
Опорная линия 52 не обязательно должна полностью укладываться в поле зрения камеры 44; очевидно, является достаточным, если камера 44 в каждый момент времени способна видеть только ту часть линейных участков 61, которая достаточно длинна для того, чтобы можно было определить и экстраполировать направление участков 61. Для расчета наименьшего радиуса r кривизны достаточно даже, если на снимках камеры 44 будет видна только дуга 60.
На фигуре 4 для примера представлен реальный снимок, сделанный камерой 44. Насыщенная, но вследствие износа измельчающего ножа 18 неравномерно прямая линия представляет собой опорную линию 52, спроецированную на нож 18 лазером 37. Линейные участки 61, проходящие по боковым поверхностям 50, должны явно отличаться от дуги 60, соединяющей их. Две тонкие линии 58 добавлены блоком 62 анализа изображений в продолжение линейных участков 61 с целью определения точки пересечения, по которой впоследствии можно будет определить зазор d до дуги 60.
На фигуре 5 показаны варианты присоединения устройства 28 для контроля остроты режущей кромки к полевому измельчителю 1. Варианты показаны при помощи увеличенных фрагментов фигуры 1. По существу, источник 36 света и камера 44 должны быть установлены вне пути движения измельченного материала, то есть в верхней половине измельчительного барабана 16, таким образом, чтобы измельченный материал не блокировал путь светового луча и не препятствовал измерению. Учитывая, что необходимо оставить промежутки для затачивающего устройства 46, выполняющего заточку ножей 18, устройство 28 для контроля остроты режущей кромки может быть установлено с учетом направления вращения измельчительного барабана 16 (на фигуре 5 - против часовой стрелки) на обечайке барабана перед затачивающим устройством 46. Благодаря этому источник 36 света будет светить под углом сверху на измельчающий нож 18, движущийся вверх. Кроме того, можно разместить устройство над подающими роликами 22, что позволит источнику 36 света освещать движущийся вперед измельчающий нож 18 под углом спереди.
В соответствии с вариантом исполнения, показанным на фигуре 6, устройство 28 для контроля остроты режущей кромки может быть установлено с возможностью смещения на рейке 26, проходящей параллельно оси 24 вращения измельчительного барабана 16. Источник 36 света, то есть лазер 37, цилиндрическая линза 40, камера 28 и пусковое устройство 41, в данном случае выполненное в виде датчика 42 ножа, помещены в корпус 29, направляемый по рейке 26. В альтернативном варианте источник 36 света и камера 44 могут быть помещены в отдельные корпуса, однако они должны иметь возможность совместного перемещения и должны располагаться на фиксированном расстоянии друг от друга на рейке 26, благодаря чему опорная линия 52 всегда будет находиться в поле зрения камеры 44.
На нижней стороне корпуса 29, обращенной к измельчительному барабану 16, имеется закрывающееся отверстие 30. В варианте, показанном на фигуре 6, схематично показаны два крыла 32, которые, имея возможность направленного параллельного смещения по не показанным на фигуре рейкам, могут быть установлены перед отверстием 30 с целью его плотного закрытия в период, когда устройство 28 не используется, и с целью защиты внутреннего наполнения корпуса 29 от проникновения измельченного материала, искр при возможной заточке измельчающих ножей 18 и других загрязнений.
Закрытие отверстия 30 может считаться достаточным для защиты внутреннего наполнения корпуса от загрязнений, если измерения остроты режущей кромке выполняются на неподвижном барабане 16. Тем не менее, для сведения к минимуму риска прерывания работы машины предпочтительно выполнять измерения остроты режущей кромки, когда барабан 16 вращается в режиме измельчения. Для того чтобы и в этом случае предотвратить или свести к минимуму проникновение измельченного материала в корпус 29, корпус 29 соединяют с источником сжатого воздуха при помощи гибкого шланга 34. Когда отверстие 30 открыто для выполнения измерений, сжатый воздух, подаваемый через шланг 34, выходит из корпуса 29 через это отверстие, удерживая летучий измельченный материал на удалении от внутреннего наполнения корпуса 29.
Цилиндрическая линза 40 и камера 44 расположены на разных сторонах воображаемой плоскости 56, проходящей перпендикулярно режущей кромке 48 и через освещенную область 52 поверхности. Плоскость распределения луча 38 и направление, с которого камера 44 снимает режущую кромку 48, определяют угол а, который в данном случае равен примерно 90°.
Если для определения остроты режущей кромки измельчающего ножа 18 барабана 16 вращение измельчительного барабана 16 останавливают, то устройство 28 можно расположить на измельчающем ноже 18 вдоль рейки 26 таким образом, чтобы источник света проецировал опорную линию 52 в различных положениях измельчающего ножа 18, а камера 44 делала снимки соответствующей спроецированной опорной линии 52, на основании которых можно будет определить остроту режущей кромки 48 в соответствующей освещенной области. По существу, полученные таким образом значения усредняют перед сравнением с эталонным значением, чтобы не допустить влияния отдельных сильно или слабо изношенных участков режущей кромки 48 на принятие решения о заточке.
Блок 62 анализа изображений может принимать решение о необходимости заточки непосредственно на основании найденного значения остроты режущей кромки и, при необходимости, вводить в действие затачивающее устройство 46; тем не менее, обычно результат измерения просто выводят на дисплей 64 (см. фиг. 1) в кабине механизатора, оставляя решение о необходимости заточки за механизатором.
На практике предпочтительно выполнять контроль остроты режущей кромки на вращающемся барабане 16. Любая размытость сделанных снимков, обусловленная движением ножа 18, в подобном случае может быть ограничена за счет адекватного подбора времени выдержки камеры 44 (предпочтительно, не более 5 мкс при частоте вращения измельчительного барабана 1200 об/мин) и/или импульсного характера работы источника 36 света. В частности, если источник 36 света, как было упомянуто ранее, представляет собой лазер 37, можно без труда получить длительность импульса порядка нескольких микросекунд и менее.
Датчик 42 ножа устанавливают в целях регистрации прохождения измельчающего ножа 18 через указанную точку перед отверстием 30 корпуса 29 и тем самым для включения камеры 44 с целью выполнения снимков или, если источник 36 света работает в импульсном режиме, для создания светового импульса. В варианте исполнения, показанном на фигуре 6, датчик 42 ножа предназначен для регистрации прохождения в точности той области режущей кромки 48 измельчающего ножа 18, на которую источником 36 света спроецирована опорная линия 52. Тем самым гарантируется, что опорная линия 52 на снимках, сделанных камерой 44, будет всегда располагаться на одном месте, независимо от того, расположено ли устройство 28 в левой или правой половине измельчительного барабана 16, и под каким углом (если это применимо) ориентированы измельчающие ножи 18. В альтернативном варианте можно установить два датчика 42 ножа слева и справа от положения датчика 42 ножа, показанного на фигуре 3, причем один из этих датчиком используют, когда устройство 28 находится в левой половине измельчительного барабана 16, а другой - когда устройство 28 находится в правой половине измельчительного барабана 16.
Кроме того, можно использовать датчик угла поворота, установленный непосредственно на оси измельчительного барабана, в качестве пускового устройства 41 для выполнения снимков, причем после этого, тем не менее, потребуется учесть наклонное положение измельчающих ножей 18 при помощи переменной задержки между пусковым сигналом датчика угла поворота и выполнением снимка, которая представляет собой функцию положения устройства 28 относительно оси 24.
Для определения остроты режущих кромок всех ножей 18 барабана 16 при вращающемся барабане 16 целесообразно непрерывно смещать устройство 28 вдоль рейки 26 на всем протяжении барабана 16, выполняя при этом снимки каждого прохождения ножа 18 перед устройством 28. Так как распознанные ножи 18 периодически повторяются в последовательности снимков, сделанных камерой 44, то в блоке 62 анализа изображений можно связать каждый снимок с изображенным на нем ножом 18, после чего оценить остроту режущей кромки этого ножа на основании множества снимков данного ножа 18. Это позволит индивидуально принимать решения о необходимости заточки каждого ножа. Тем не менее, можно обойтись без привязки снимков к отдельным ножам 18, а вместо этого рассчитать среднее значение на основании всех значений остроты режущих кромок, полученных со снимков, и на этом основании принять решение о необходимости заточки всех ножей 18 барабана 16. Таким образом, можно снизить частоту прерывания уборочных работ на заточку ножей, что, в свою очередь, позволит повысить эффективность уборочных работ.
Список ссылочных обозначений
1 полевой измельчитель
4 шасси
6 рама
8 подборщик
10 измельчитель
12 дополнительный ускоритель
14 разгрузочный желоб
15 двигатель
16 измельчительный барабан
18 измельчающий нож
20 противорежущая кромка
22 подающий ролик
24 ось вращения
26 рейка
28 устройство
29 корпус
30 отверстие
32 крыло
34 шланг
36 источник света
37 лазер
38 луч
40 цилиндрическая линза
41 пусковое устройство
42 датчик ножа
44 камера
46 затачивающее устройство
48 режущая кромка
50 боковая поверхность
51 линия
52 опорная линия
56 плоскость
58 стойка
60 дугообразный участок
61 линейный участок
62 блок анализа изображений
64 дисплей.