Оптическое устройство для измерения диаметров крупногабаритных деталей

Полезная модель относится к оптическим устройствам для измерения и контроля, а именно к устройствам для измерения геометрических параметров нагретых изделий, и может быть использована при производстве обечаек.
Известно оптическое устройство для измерения диаметров крупногабаритных деталей (патент РФ на изобретение № 2181190, МПК G01B 21/10, 10.04.2002), содержащее оптико-механический блок задания размера, состоящий из установленного с возможностью осевого перемещения конуса, рычага, первой пружины, обеспечивающей контакт свободного конца рычага с поверхностью конуса, и преобразователь положения кромки детали.
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата данного устройства, относятся сложность конструкции, а именно трехмерная кинематическая схема, вследствие чего на точность задания размера оказывает влияние технологическая точность изготовления элементов устройства, а также сложность методологии настройки, что также оказывает влияние на точность измерения.
Известно оптическое устройство для измерения диаметров крупногабаритных деталей (патент РФ на изобретение №2654952, МПК G01B 11/08, G01B 21/10, 23.05.2018), содержащее преобразователь положения кромки детали, шкалу с линейными делениями, оптико-механический блок задания размера, состоящий из рычага, подпружиненного пружиной относительно подвижного основания, установленного с возможностью перемещения в вертикальных неподвижных направляющих с устройствами фиксации и отсчета величин перемещения, на котором расположена ось поворота рычага, на свободном конце которого установлен объектив, и снабжен штоком, причем преобразователь положения кромки детали представляет собой объектив, в плоскости изображения которого установлена ПЗС-матрица, подключенная к ЭВМ, с которой соединен вывод пирометра, расположенного на свободном конце рычага, и к которой подключен дисплей с линейными делениями, а оптико-механический блок задания размера дополнительно содержит диск фиксированного размера, рассчитанный на номинальный диаметр, установленный на оси, жестко закрепленной на штоке, установленном на свободном конце подвижного основания.
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата данного устройства, относятся сложность механической конструкции, технологическая точность изготовления элементов которого оказывает влияние на точность задания номинального размера, а также сложность методологии предварительной настройки, а именно при мелкосерийном производстве для каждой партии обечаек необходимо изготовление диска фиксированного размера, соответствующего номинальному диаметру обечайки, что оказывает влияние на оперативность настройки устройства.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков и принятым за прототип является оптическое устройство для измерения диаметров крупногабаритных деталей (патент РФ на полезную модель №171730, МПК G01B 11/08, 29.12.2016), содержащее оптико-механический блок задания размера, состоящий из рычага, подпружиненного подвижного основания, механизма относительного вертикального перемещения, преобразователь положения кромки детали, винтовое устройство с жестко закрепленным на нем плоским упором, соприкасающимся с рычагом.
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата данного устройства, относятся сложность конструкции, а именно многозвенная кинематическая схема, вследствие чего на точность задания размера оказывает влияние технологическая точность изготовления механических элементов устройства; регистрация отклонения размера детали от заданного выполняется оператором визуально, а регистрируемый размер нагретой детали не приводится к нормальной температуре; размер температурной деформации детали при её остывании может превышать допуск на размер детали, что является источником погрешности измерения устройства.
Техническим результатом является повышение точности устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что оптическое устройство для измерения диаметров крупногабаритных деталей, содержащее оптико-механический блок задания размера, преобразователь положения кромки детали, пирометр для измерения температуры детали, вывод которого соединен с микроконтроллером, причем блок задания размера выполнен в виде кронштейна с возможностью поворота в вертикальной плоскости с помощью сервопривода, а преобразователь положения кромки детали выполнен в виде цифровой камеры, установленной на жестко закрепленном на валу подвижном основании, на котором также установлены пирометр и дальномер, вывод которого, как и вывод цифровой камеры, соединен с микроконтроллером, к выходу которого подключен сервопривод.
Выполнение блока задания размера в виде механизма с одной степенью свободы, а именно вращения цифровой камеры с помощью сервопривода (например, с шаговым двигателем), который управляется микроконтроллером, позволяет значительно повысить точность задания размера за счет исключения кинематических пар. Дальномер (датчик расстояния) с помощью микроконтроллера позволяет вводить коррекцию по расстоянию на результат измерения температуры. А с помощью измеренной пирометром температуры микроконтроллер осуществляет приведение размера нагретой детали к нормальным температурным условиям.
Выполнение преобразователя положения кромки детали в виде соединенной своим выводом с микроконтроллером цифровой камеры, установленной на жестко закрепленном на валу подвижном основании, позволяющее осуществлять установку цифровой камеры на заданный диаметр детали с помощью углового перемещения сервоприводами, подключенными к выходам микроконтроллера, без выполнения трудоемких предварительных операций позволяет оперативно и с более высокой точностью осуществлять позиционирование, поскольку в устройстве отсутствует многозвенная кинематическая схема механизма, а нелинейная зависимость между измеряемым диаметром детали и углом поворота камеры реализуется микроконтроллером.
Введенный соединенный своим выводом с микроконтроллером дальномер, установленный на подвижном основании, позволяет корректировать точность пирометра для измерения температуры детали, тем самым повышая точность устройства в целом, поскольку при изменении расстояния до детали от заданного расстояния возникает погрешность.
На чертеже изображено оптическое устройство для измерения диаметров крупногабаритных деталей.
Оптическое устройство для измерения диаметров крупногабаритных деталей состоит из основания 1, на котором установлен кронштейн 2. На нем установлен вал 3 с возможностью поворота в вертикальной плоскости с помощью сервопривода 4 с шаговым двигателем. Преобразователь положения кромки детали выполненный в виде цифровой камеры 5, установленной на подвижном основании 6, жестко закрепленном на валу 3. На подвижном основании 6 установлены также пирометр 7 для измерения температуры детали и дальномер 8, определяющий расстояние между пирометром 7 и деталью, которое необходимо для коррекции погрешности пирометра 7. К входу микроконтроллера 9 подключены следующие измерительные преобразователи: цифровая камера 5, пирометр 7 и дальномер 8, а к выходу - сервопривод 4 и дисплей 10, отображающий диаметр детали, приведенный к нормальным температурным условиям.
Устройство работает следующим образом.
В качества примера рассмотрим измерение диаметра крупногабаритной обечайки в процессе ее формообразования.
Перед измерением цифровая камера 5 с помощью сервопривода 4 устанавливается в угловое положение, соответствующее номинальному размеру обечайки согласно выражению.
,
где ψ - угол поворота в вертикальной плоскости подвижного основания;
R - номинальный радиус детали, м;
Н - высота подъема основания, м;
L - расстояние от оси вращения до оси детали, м.
Управление перемещением цифровой камеры 5 в положение, соответствующее номинальному размеру детали и измеряемому сечению, осуществляется микроконтроллером 9. В процессе технологического процесса формообразования предварительно нагретая до 1000°С обечайка вращается в валках листогибочной машины. Цифровая камера 5 регистрирует угловое отклонение проекции границы детали от оптической оси цифровой камеры 5, а пирометр 7 регистрирует температуру детали при ее остывании до 600°С, при которой технологический процесс формообразования прекращается из-за нарушения механических свойств материала детали. Дальномер 8 определяет расстояние между пирометром 7 и деталью, информация о котором необходима для введения поправки на результат измерения температуры. По результатам измерения микроконтроллер 9 вычисляет размер детали, приведенный к нормальным температурным условиям с помощью выражения
,
где h - толщина листового материала, м;
-1
α - коэффициент линейного расширения материала детали, К;
- разность температур обечайки и окружающей среды, К.
Величины h и α вводятся в микроконтроллер.
Таким образом, введение в оптическое устройство блока задания размера, выполненного в виде кронштейна, на котором установлен вал с возможностью поворота в вертикальной плоскости с помощью сервопривода, а преобразователь положения кромки детали выполнен в виде цифровой камеры, установленной на жестко закрепленном на валу подвижном основании, на котором также установлены пирометр и дальномер, вывод которого, как и вывод цифровой камеры, соединен с микроконтроллером, к выходу которого подключен сервопривод, позволяет повысить точность и оперативность контроля, а также удобства работы. Кроме того повышение оперативности контроля позволяет исключить дополнительную повторную операцию формообразования детали, которая возникает в случае, если за время остывания детали до 600°С технологический процесс не успевает завершиться.