СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ НЕСООСНОСТИ
METHOD OF MEASURING AND CONTROLING OF MISALIGNMENT

Изобретение относится к методам измерения или регулирования несоосности вручную или автоматически известными методами.
Известен способ контроля соосности, например, валов машин, заключающийся в измерении расстояния между их поверхностями с помощью измерителя, отличающийся тем, что вычисляют расстояние между поверхностями валов при их соосном расположении и корректируют показания измерителя на эту величину, поворачивают устройство на одном из валов, определяют горизонтальную, вертикальную и экстремальную несоосность, устанавливают измеритель в положение экстремальной несоосности и продолжают измерение несоосности валов (см. патент №2242708, G01B 5/24).
Ошибка измерения несоосности зависит от разности диаметров валов, от класса точности измерителя и его диапазона измерения. Чем больше диапазон измерения при неизменном классе точности, тем больше абсолютная ошибка.
Так как ошибка от разности диаметров во много раз может превосходить ошибку измерителя, то ошибкой последнего пренебрегают, а основное внимание уделяют нейтрализации ошибки за счет разности диаметров валов.
Известны способы измерения несоосности в области, где разница диаметров не влияет на точность измерения (см. патент №2365873, G01B 5/24, «Способ измерения несоосности валов»).
Известны способы измерения горизонтальной и вертикальной несоосности, а также измерение экстремальной несоосности в любой точке вокруг валов, где разница диаметров валов не влияет на точность измерения (см. патент №2370729, G01B 5/24, «Способ измерения экстремальной несоосности»).
Таким образом, известны способы и устройства, в которых разница диаметров валов не влияет на точность измерения (определения). Дальнейшее повышение точности измерения или регулирования несоосности сдерживают сами измерители.
Уменьшение ошибки измерения или регулирования несоосности необходимо в связи с непрерывно растущими скоростями и нагрузками. Например, на тепловых электростанциях для получения электроэнергии используют раскаленный пар, нагретый до 3000 градусов. Чтобы остановить такой агрегат для профилактики, требуется времени около месяца.
Целью изобретения является повышение точности измерения или регулирования при использовании известных методов и устройств.
1. Способ измерения или регулирования несоосности известными методами, заключающийся в том, что определяют (измеряют) или регулируют несоосность сначала измерителем с большим диапазоном измерения, а в конце измеряют или регулируют измерителем с меньшим диапазоном измерения.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измерение несоосности заканчивают или осуществляют повторное измерение измерителем с диапазоном измерения, равным величине измеренной несоосности с учетом погрешности измерения.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измерители с разными диапазонами устанавливают либо по очереди, либо одновременно параллельно с ручным или автоматическим подключением соответствующего измерителя к системе регулирования.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что несоосность регулируют каждым следующим измерителем с диапазоном измерения, равным максимальной ошибке предыдущего измерителя.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при регулировании несоосности величину задающего воздействия устанавливают задатчиком с минимальной возможной величиной диапазона.
Техническая реализация предлагаемого способа может быть осуществлена двумя вариантами.
Первый вариант, когда сначала устанавливают измеритель с большим диапазоном измерения и определяют с его помощью несоосность (в случаях, когда величину несоосности можно предполагать). Затем известный измеритель снимают и устанавливают измеритель с диапазоном измерения, равным или несколько большим диапазона измеренной величины несоосности, и осуществляют повторное измерение известными методами. Так как диапазон повторного измерения по меньшей мере при том же классе точности будет меньше, то и абсолютная ошибка будет меньше, что повысит точность измерения или регулирования.
Второй вариант, когда устройство измерения снабжено сразу несколькими измерителями, например индикаторными головками, которые располагаются параллельно. В этом случае сначала измерение осуществляют измерителем с максимально возможным диапазоном измерения, так как сначала объекта измерения касается (контактирует) его измерительная ножка. После измерения измерители или вал с измерителями смещают таким образом в процессе регулирования, чтобы с объектом измерения контактировала измерительная ножка требуемой индикаторной головки.
Наибольший эффект повышения точности достигается при регулировании несоосности, когда ее величина равна нулю или близка к нулевому значению. При уменьшении диапазона измерения в процессе регулирования величина несоосности стремится к нулю, к нулю стремится и ошибка измерения и регулирования. В этом случае, если нет диапазона (величины) измерения и регулирования, то нет и ошибки измерения и регулирования или ими можно пренебречь из-за малой величины.
В процессе регулирования, как только объект измерения попадает в зону действия следующего измерителя с меньшим диапазоном, система регулирования вручную или автоматически переключается на регулирование с этим измерителем.
На фиг. 1 показано устройство, которое измеряет вертикальную несоосность, независимую от разности диаметров валов, где обозначены валы 1, 2 разных диаметров. На валу 1 с помощью хомута 3 или магнита крепится выступ (пластина) 4, расположенный на горизонтали, проходящей через ось симметрии вала 1. На валу 2 с помощью хомутов 5, 6 крепится стойка 7 и штанга 8, выполняющая функции корпуса. Нижний конец стойки 7 расположен на выступе 9, верхняя поверхность которого расположена горизонтально и проходит визуально через центр вала 2 (ось симметрии). На конце штанги 8 установлен измеритель, например индикаторная головка 10, измерительная ножка 11 которого касается выступа 4.
Перед началом работы устройство крепят на одном валу с двумя хомутами 3, 5, выступы 4 и 9 располагают горизонтально, при этом стойка 7 и измерительная ножка 11 измерителя 10 будут расположены вертикально, а показания измерителя устанавливают на нулевую отметку, расположенную на середине диапазона измерения при двух шкалах, что достигается смещением хомута 6 со штангой 8 по стойке 7. Подготовить устройство к работе можно и другим методом. Измеритель 10 вместе со штангой 8 смещают вправо в хомуте 6 таким образом, чтобы измерительная ножка 11 измерителя 10 касалась верхней поверхности выступа 9 при нулевом значении измерителя 10, у которого нулевое значение расположено посреди шкалы, что позволит измерить несоосность, когда ось вала 1 располагается выше или ниже оси вала 2.
После этого измеритель 10 возвращают в первоначальное положение и стопорят хомут 6 (стопор не показан). Индикаторная головка измерит несоосность. Так как несоосность валов была неизвестна, то измеритель был взят заведомо с большим диапазоном измерения. После этого измеритель снимают и устанавливают измеритель с диапазоном измерения, равным или несколько большим диапазона измеренной несоосности. Так как диапазон измерения при том же классе точности будет меньше, то и абсолютная ошибка будет меньше, что повышает точность измерения.
Измеритель может быть более точным, что дополнительно повысит точность.
Если необходимо измерить горизонтальную несоосность, то достаточно ослабить хомуты 3 и 5 и повернуть на 90° и закрепить. Устройство измерит горизонтальную несоосность.
Если необходимо одновременно измерять горизонтальную и вертикальную несоосность, то можно установить второй измеритель со своей стойкой, штангой и выступами на хомутах 3 и 5 под углом 90°. Подготовка и работа такого устройства идентична вышеописанному. Ноль может быть в начале шкалы, но при этом устройство крепят, например, всегда на валу, расположенном выше, т.к. измерение будет только в одном направлении.
Известно устройство, у которого два измерителя расположены под углом 90° и измеряют одновременно горизонтальную и вертикальную несоосность (см. патент №2242709, G01B 5/24, «Устройство для контроля соосности»). Предложение авторов выгодно отличается тем, что точность измерения несоосности не зависит от разности диаметров валов, т.к. здесь измеряют проекции экстремальной несоосности между осями. Кроме того, повышают точность измерения при повторном измерении с меньшим диапазоном. Можно измерить несоосность известным методом, например, между осями валов (см., например, патент №2365873, G01B 5/24, «Способ измерения несоосности валов») и т.д.
В этом способе изменение диаметров (радиусов) валов в процессе измерения от бесконечно большой величины до малой не влияет на точность измерения. Эта область измерения является инвариантной.
Наибольший эффект повышения точности достигается в случаях, когда необходимо регулировать несоосность до нулевого значения или близкого к нулю значения. В этом случае первым измерителем измеряют и регулируют максимально возможный диапазон. Например, если первоначальная несоосность равна 1000 относительных единиц, а класс точности измерителя 1%, то максимальная ошибка (абсолютная) будет равна  единиц. Диапазон второго измерителя будет не менее 20 относительных единиц. При том же классе точности 1% его ошибка будет  единиц. Диапазон измерения третьего измерителя будет не менее 0,4, при том же классе точности 1% его ошибка будет  относительных единиц. Если точность измерителей будет 0,1%, то это позволит дополнительно значительно (в 1000 раз) повысить точность или уменьшить количество измерителей. Даже если точность измерителей будет 10%, все равно сохранится эффект повышения точности.
Таким образом, в предлагаемом способе при добавлении одного только дополнительного измерителя можно в десятки, сотни и т.д. раз повысить точность измерения и, как следствие, точность регулирования несоосности в зависимости от класса точности измерителя и от возможности системы регулирования.
Предлагаемый способ может быть использован в системах регулирования или управления, работающих на сближение осей в осевом направлении, например, при автоматизированной сборке узлов и механизмов.
Известно устройство для сборки, см., например, а.с. №1683945, В23Р 19/04, «Устройство для сборки». К достоинству устройства следует отнести то, что оно приспосабливается к сборочным единицам, различным по высоте, что проще, чем многопозиционные приводы.
Известны схваты промышленных роботов, см., например, а.с. №1498609, B25J 15/00, «Схват промышленного робота». Конструктивная особенность схвата обеспечивает надежный захват детали за счет адаптации положения зажимных элементов. Однако эти особенности не гарантируют надежную сборку узлов и механизмов, т.к. в процессе сборки могут изменяться углы перелома осей собираемых деталей, что особо заметно при работе с крепежным материалом. Угол перелома может быть скорректирован по углу отклонения схвата (или технологической головки робота).
Известно повышение точности измерения давления за счет уменьшения диапазона измерения см., например, а.с. №1359516, F15C 3/04, G01N 7/14, «Пневматический повторитель со сдвигом».
Уменьшение диапазона достигается тем, что эластичная уплотнительная прокладка вынесена за пределы уплотняемого объема. В процессе уплотнения не происходит изменения объема, а следовательно, и изменения давления, что особо заметно было при свободном объеме, близком к нулю.
Однако это не порочит новизны предложения авторов, в котором уменьшают диапазон измерения либо повторным измерением, либо регулированием с последующим измерением измерителем с меньшим диапазоном.
Известен способ, в котором осуществляют повторное измерение несоосности. Первое измерение несоосности, например, в колесной паре или подвеске редуктора осуществляют, когда на вагон устанавливают новую колесную пару или подвеску редуктора. Повторное измерение осуществляют после заданного пробега.
По разнице измерений определяют суммарный износ вала, подшипника, отверстия (см. патент №2500981, G01B 5/24, 5/25, «Способ измерения несоосности валов»). Однако это не порочит новизны авторов.
Известно уменьшение диапазона измерения за счет подведения измерителя к нулевому значению, а не за счет обнуления при подготовке процесса измерения (см. патент №2431113, G01B 5/24, «Способ измерения несоосности валов»). Однако это не порочит новизны, т.к. диапазон уменьшают частично. Кроме того, предложение авторов содержит эффект повышения точности при незначительном увеличении измерителей.
Известен эффект увеличения, например, уровней двоичного кода в цифроаналоговых преобразователях, где устройство снабжено дополнительно операционным усилителем или множительно-делительным устройством, коэффициент усиления которого настраивают на единицу больше максимального количества уровней двоичного кода (см. патент №2028668, G06G 5/00, G05D 16/06, «Задатчик»). Количество усилителей может быть увеличено. Где коэффициент усиления каждого следующего усилителя на единицу больше максимального количества уровней двоичного кода, полученных вместе с предыдущим усилителем. Заявитель подавал несколько заявок, в одной из которых была математическая формула, позволяющая определять количество уровней двоичного кода. Однако эти заявки получились отозванными в связи с тем, что переписка совпала с периодом, когда из почтового ящика пропадали газеты и журналы, очевидно, пропали и письма экспертизы (период перестройки).
Известен и другой эффект получения максимального количества вариантов в случае равенства или близкого к равенству, например, количества чувствительных и ответных элементов (источников света и фотодиодов). В этом случае количество различных вариантов равно произведению чувствительных элементов на количество ответных элементов (источников света), а в случае равенства - квадрату, например, количества чувствительных элементов.
Этот эффект используется (см. патент №2028180, B01L 3/02, «Пипетка») (см. а.с. №1588928, F15B 11/12, а.с. №1765543 «Многопозиционный привод», а.с. №1783296, G01B 13/02, «Устройство для измерения перемещений»).
Особый интерес представляет использование этого эффекта (см. патент №2003050, G01F 11/08, «Устройство для дозирования»). Здесь за основу взят двоичный код, далее система дозирования построена таким образом, если рассматривать с точки зрения математики, то степень (n) двоичного кода умножается на другое основание, которое возводится в степень. Это позволяет небольшим количеством дозаторов получить два в пятьдесят четвертой степени различных доз смесей газов. Возможен вариант, когда степень (n) двоичного кода непосредственно возводится в степень.
Однако этот эффект не порочит новизны предложения авторов, т.к. в нем основная задача - небольшим количеством элементов получить большое количество вариантов позиций, доз (жидкостей, газов) и т.д. В предложении авторов задача - небольшим количеством устройств получить высокую точность измерения и регулирования, на которые практически не влияют возмущения (помехи).
Наиболее близкими по технической сущности являются способы по а.с. №387410, G08C 9/00, G01B 7/14, «Способ измерения линейных перемещений», а.с. №481759 G01B 5/20 «Способ автоматического слежения за положением объекта путем измерения его контура». Здесь диапазон измерения каждого следующего следящего узла равен ошибке слежения предыдущего, а соединение подвижного штока основного следящего узла с корпусом дополнительного (второго следящего узла) выполняет функции сумматора. Более подробно процесс суммирования см., например, а.с. №324629, G06Q 5/00, «Устройство для суммирования».
Если диапазон измерения второго следящего узла будет равен или близок к величине колебания первого (основного следящего узла), то одновременно будет осуществляться процесс гашения колебаний, т.к. быстродействие второго следящего узла заведомо выше первого. Недостатком таких способов является то, что для получения точного сигнала, равного или пропорционального измеряемой величине, требуется высокоточный сумматор. Это наглядно видно в а.с. №1017924, G01B 13/00, «Пневматическое устройство для контроля линейных размеров».
В нем пневматический сумматор имеет невысокую точность, поэтому для повышения точности вводится второй дроссельный сумматор, что позволяет повысить точность измерения только в два раза.
В предложении авторов повысить точность в конце процесса регулирования можно в десятки, сотни и т.д. раз в зависимости от начального диапазона измерения и регулирования, а также от класса точности измерителя и возможности системы регулирования.
Таким образом, в предложении авторов сохраняется эффект уменьшения количества измерителей, при этом упрощается техническая реализация, т.к. не требуется высокоточный сумматор. Предложение авторов повысит одновременно точность измерения и регулирования. Это объясняется тем, что в конце процесса регулирования несоосность становится равна нулю или близкой к нулю величине. Особо следует отметить то, что не редкость, когда несоосность необходимо регулировать до нулевой или близкой к нулю величины. Это означает, что величина задания и измерения равны нулю или близкому к нулю значения, при этом чем меньше диапазон, тем меньше ошибка. Другими словами, величина несоосности и задания находится в области, где ошибкой измерения можно пренебречь, а влияние возмущений настолько малы, что стираются грани между системами с отрицательной обратной связью и без отрицательной обратной связи. Таким образом, задатчики, измерители и системы регулирования несоосности, работающие в области нуля или близкого значения к нулю, являются инвариантными, когда несоосность измеряют между осями валов или кругов (окружностей) и их проекциями или осями координат. При этом диапазон регулирования задатчика и измерителя на конечном этапе регулирования и измерения используют с минимально возможным диапазоном.
Посмотрим, по какой причине изменение радиусов валов от бесконечно большой величины до малой не влияет на точность измерения. Этот эффект объясняется тем, что измерение осуществляют в области нулевой величины радиуса. Нет радиуса - нет и ошибки.
Поэтому наибольший эффект достигается там, где величина радиуса, величина несоосности и величина задания, а также диапазон работы задатчика равны или близки к нулю.
Известно открытие Г.В. Щипанова №44 «Получение инвариантных систем (независимых от возмущения) путем формирования второго канала прохождения возмущения».
Известны гиперустойчивые системы, работающие в скользящем режиме, обладающие инвариантностью и основанные на переключении большого количества сопротивлений на высокой скорости, см., например, книгу «Теория систем с переменной структурой» под редакцией С.В. Емельянова, издательство «Наука», главная редакция физико-математической литературы, Москва, 1970 г.
Недостатком таких систем является то, что помехи, действующие на цепь задающего воздействия и на цепь обратной связи, не позволяют точно привести погрешность системы регулирования к нулю (см., например, энциклопедию современной техники «Автоматизация производства и промышленная электроника», главные редакторы А.И. Берг и В.А. Трапезников, государственное научное издательство «Советская энциклопедия», Москва, 1963 г., стр. 396, рис. 5, второй абзац снизу).
Предложение авторов выгодно отличается тем, что для регулирования несоосности, например, в процессе автоматизированной сборки узлов или механизмов может быть использовано открытие Г.В. Щипанова или системы с переменной структурой, где будет точно приведена погрешность системы к нулю, т.к. помехи, действующие на цепь задающего воздействия и на цепь обратной связи, не оказывают влияния на точность их работы или ошибкой можно пренебречь.
Таким образом, авторами обнаружено ранее неизвестное явление существования области, где возмущения не влияют на точность измерения и регулирования.
Технический эффект заключается не только в повышении точности измерения и регулирования, но и в упрощении технической реализации.
Таким образом, повысить точность измерения можно путем стабилизации параметров окружающей среды, путем использования открытия Г.В. Щипанова получения инвариантных систем путем формирования второго канала прохождения возмущения, или формирования одного или несколько сигналов ошибки, или измеряя и регулируя в области, где возмущения (помехи) не оказывают влияние на точность измерения и регулирования, или различными вариантами этих методов.