СПОСОБ И ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ФОРМЫ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
METHOD AND MEASURING DEVICE FOR CONTACTLESS DETERMINATION OF SPATIAL FORM OF STRUCTURAL ELEMENTS

Изобретение относится к способу бесконтактного определения пространственной формы конструктивных элементов, в частности изогнутых труб, проволоки, пруткового материала, заготовок, листового металла или подобных элементов согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения, а также к измерительному устройству для осуществления этого способа согласно ограничительной части п.16 формулы изобретения.
Согласно известным способам, определение пространственной формы или очертания, например изогнутых труб, осуществляют вручную, вне машин для их обработки, в закрепленном положении на так называемых трехмерных измерительных столах. Измерение контролируемого изделия выполняют при помощи известных трехмерных измерительных систем, а именно посредством механического щупа или считывающей головки, работающей с лазерной линией наводки. Применяются также простые инфракрасные световые затворы. Обе считывающие системы механически соединены с измерительным рычагом, который определяет координаты относительно измерительного стола. Трехмерные координаты Х-Y-Z определяются при помощи механизма осей (так называемого измерительного рычага), содержащего датчики угловых перемещений с отсчетом в приращениях, в сочетании с персональным компьютером.
Известна также подача данных, полученных при измерении, например в трубогибочную машину, с соответствующими изменениями номинальных значений угла гибки. Правда при этом предусмотрен лишь выборочный контроль с последующим изменением угла гибки, а измерения выполняют, как правило, лишь в единичных случаях или на количестве изделий, установленному заказчиком заранее в объеме соответствующей партии.
В основе настоящего изобретения лежит задача предложить способ, при помощи которого, с одной стороны, возможен обширный контроль конструктивных элементов, преимущественно изогнутых конструктивных элементов, непосредственно на машине, преимущественно на гибочной машине, с непрерывной адаптацией номинальных значений (адаптивный контур регулирования), а с другой стороны, возможно также индивидуальное определение пространственной формы или пространственного очертания, преимущественно так называемых эталонных деталей или опытных образцов, чтобы можно было передать данные, соответствующие их форме, на обрабатывающую машину. Для этого должно быть также создано соответствующее измерительное устройство, которое, кроме того, можно использовать для контроля качества продукции текущего производства, например, изогнутых труб.
В отношении способа, указанная задача согласно изобретению решается тем, что каждый конструктивный элемент последовательно освещают вдоль его очертания по меньшей мере одним источником света, а образованные конструктивным элементом тени обнаруживают по меньшей мере одним светоприемником и тем самым инициируют анализ результатов измерений.
Согласно изобретению, особенно целесообразно последовательно освещать каждый конструктивный элемент вдоль его очертания по обеим сторонам по меньшей мере одним источником света, и одновременно обнаруживать образованные конструктивным элементом тени по обеим сторонам по меньшей мере одним светоприемником.
Также целесообразно, чтобы по меньшей мере один источник света и соответствующий ему по меньшей мере один светоприемник были интегрированы в плечи измерительной вилки, причем во время измерительного процесса с помощью плеч вилки, охватывающих конструктивный элемент без контакта с ним производят измерения вдоль очертания конструктивного элемента.
Особенно выгодно способ может быть реализован при помощи измерительной вилки, перемещаемой вручную или на измерительном рычаге, а именно для определения пространственных данных конструктивного элемента, измерительную вилку непрерывно перемещают, при помощи измерительного рычага или без него, над измеряемым изделием, без смещения от него. В результате определяют геометрические данные изделия, точнее говоря, его среднюю ось. В зависимости от того, какой из двух возможных способов определения применяют, в случае трубы является рациональным предварительно определить ее диаметр и заранее задать его для анализа измерений. Это выгодно, если труба имеет большой диаметр по сравнению с отверстием измерительной вилки.
Для тонких изделий, например проволоки с диаметром несколько десятых долей миллиметра, выгодно проводить измерение вокруг сечения, и данные о диаметре не задаются. Для первого случая диаметр можно определить и вычислить путем специального измерения измерительной вилкой, производимого вокруг трубы.
Целесообразно в качестве источника света в измерительном устройстве использовать светодиоды или лазер, а в качестве светоприемника - приборы с зарядовой связью, причем для повышения точности измерений количество источников света можно увеличить, предпочтительно в три раза, при сохранении количества светоприемников. В качестве светоприемников можно также использовать приемные модули на комплементарных металлооксидных полупроводниках.
При анализе определяемых геометрических данных источниками света, предпочтительно светодиодами, управляют последовательно, а светоприемники, предпочтительно приборы с зарядовой связью, считывают параллельно.
Для реализации способа согласно изобретению с помощью автономной измерительной вилки, перемещаемой вручную, целесообразно, чтобы она работала от интегрированного собственного источника энергии, например от аккумулятора.
Также целесообразно, чтобы измерительная вилка работала при помощи интегрированного микропроцессора, электроники цифровой обработки сигналов и оптической системы датчиков таким образом, что при помощи тригонометрических функций и по отброшенным теням можно определить трехмерное положение средней оси измеряемого конструктивного элемента в пределах области измерения. При этом вычислительная система генерирует векторное представление измеряемого конструктивного элемента.
Выгодно, когда при отклонении направления перемещения измерительной вилки от средней оси, что может произойти в особенности при ее перемещении вручную, автоматически производят корректировку, главным образом, по участку траектории, ускорению и/или угловому отклонению.
Определенные измерительной вилкой трехмерные данные измеряемого конструктивного элемента можно передавать по беспроводной связи или по меньшей мере по одному кабелю на систему верхнего уровня, например, на персональный компьютер, в центр обработки информации, ноутбук, карманный компьютер или на аналогичные системы. Это решение напрашивается, например, тогда, когда способ согласно изобретению реализуется с использованием многоосного электромеханического измерительного рычага. Данный измерительный рычаг соединен кабелем с измерительной вилкой и подключен в качестве модуля к системе верхнего уровня, например к персональному компьютеру или подобному устройству. В этом случае подвод энергии также может осуществляться извне. При этом навигацию измерительной вилки в трехмерном пространстве можно осуществлять без измерительного рычага, при помощи интегрированных датчиков ускорения, поворота и магнитных полей, на базе образованной таким образом навигационной системы.
В противоположность этому, когда способ применяется при свободной эксплуатации "вручную", целесообразно иметь возможность сохранения данных измерений внутри измерительной вилки, а именно в интегрированном энергозависимом или энергонезависимом запоминающем устройстве. Кроме того, с помощью беспроводной связи можно непосредственно передавать данные в режиме реального времени на расстояние по меньшей мере 5 м, а предпочтительно 30 м, для немедленной последующей обработки определяемых значений, при этом специальной аппаратуры для приема не требуется.
В этой связи целесообразно перемещать измерительную вилку предпочтительно вдоль измеряемого конструктивного элемента, например вдоль трубы, изогнутой несколько раз, или подобного элемента, который, в частности, служит в качестве эталонного элемента, и запоминать пространственную форму этого элемента, чтобы затем передать результат в гибочную машину.
Запоминание предпочтительно осуществлять во вставном элементе USB, чтобы затем с его помощью в ходе производства управлять процессами обработки, например устройствами для гибки заготовок, в частности, трубогибочными и подобными устройствами.
Наконец, для оптимизации определения данных при перемещении измерительной вилки вручную целесообразно, чтобы она была выполнена так, что выдает акустический сигнал, если измеряемый конструктивный элемент вышел из основной области измерений.
Измерительное устройство для бесконтактного определения пространственной формы конструктивных элементов, в частности изогнутых труб, проволоки, пруткового материала, заготовок, листового металла и других элементов, согласно изобретению выполнено в виде измерительной вилки, плечи которой имеют по меньшей мере один источник света и по меньшей мере один светоприемник.
В качестве источников света целесообразно использовать светодиоды и лазеры, а в качестве светоприемников - приборы с зарядовой связью, а также системы камер на приборах с зарядовой связью.
Измерительное устройство предпочтительно состоит из эргономично выполненного вильчатого оболочкового корпуса, в который интегрированы микропроцессор, электроника цифровой обработки сигналов и, при необходимости, собственный источник энергии, например аккумулятор. Это, в совокупности с предусмотренной оптической системой датчиков, позволяет определять при помощи тригонометрических функций и по отбрасыванию теней трехмерное положение средней оси измеряемого конструктивного элемента в пределах области измерения. При этом измерительная вилка предпочтительно выполнена с возможностью считывания векторного представления измеряемого конструктивного элемента.
Для перемещения измерительного устройства вручную особенно выгодно, если в него интегрирован корректировочный элемент, который при отклонении направления перемещения измерительного устройства от воображаемой средней оси измеряемого конструктивного элемента производит корректировку, главным образом, по участку траектории, ускорению и/или угловому отклонению.
Определенные при помощи плеч вилки трехмерные данные измеряемого конструктивного элемента могут передаваться по беспроводной связи или по меньшей мере по одному кабелю в систему верхнего уровня, например персональный компьютер, центр обработки информации, ноутбук, карманный компьютер или аналогичные системы. Для этого также хорошо подходит вставной элемент USB, если в измерительном устройстве предусмотрен соответствующий соединительный элемент. Таким образом, определенные при помощи плеч вилки трехмерные данные могут храниться отдельно и по ним в ходе производства можно целенаправленно управлять процессами обработки, например устройствами для гибки заготовок, в частности, трубогибочными и подобными устройствами.
Целесообразно, чтобы вильчатый оболочковый корпус измерительного устройства имел функциональные кнопки управления и по меньшей мере один сигнализатор, который выдает акустический сигнал, если, в особенности при перемещении вильчатого измерительного устройства вручную, плечи вилки отклоняются от основной области измерения измеряемого конструктивного элемента. Благодаря этому оператор, перемещающий измерительное устройство, получает акустический сигнал, предупреждающий о необходимости скорректировать направление перемещения в сторону воображаемой средней оси.
Существенные части плеч измерительной вилки измерительного устройства предпочтительно расположены под прямым углом друг к другу и в каждой из этих частей предусмотрен светоприемник, предпочтительно на приборах с зарядовой связью. Свободные концы плеч имеют расположенные примерно параллельно друг другу концевые участки, в которых размещены источники света, предпочтительно в виде светодиодов.
Другие особенности и преимущества изобретения очевидны из последующего описания варианта его осуществления и чертежей, на которых
фиг.1 изображает упрощенную схему связи элементов устройства согласно изобретению,
фиг.2 - продольный разрез измерительной вильчатой головки с областями измерений измерительного устройства согласно изобретению,
фиг.3 - измерительную вильчатую головку согласно фиг.2 с эскизом расположения светодиодов,
фиг.4 - измерительную вильчатую головку согласно фиг.2 с эскизом корректировки положения приборов с зарядовой связью, и
фиг.5 - измерительную вильчатую головку согласно фиг.2 с эскизом теней от помещенного объекта на одной стороне.
На фиг.1 показано упрощенно измерительное устройство 1 согласно изобретению, содержащее измерительную вильчатую головку 2 с областями 3 измерений. Данные, полученные в измерительном устройстве 1, могут передаваться по беспроводной связи 4, по кабелю 5 или при помощи вставного элемента 6 USB на ноутбук 7 и от него или непосредственно от измерительного устройства на обрабатывающую машину, например на трубогибочную машину 8.
На фиг.2 показан продольный разрез измерительной вильчатой головки 2, которая образует вильчатый рабочий конец оболочкового корпуса 9, переходящего в эргономично выполненную рукоятку 10. Оболочковый корпус 9 выполнен из пластмассы или подходящего легкого металла. Важно, чтобы материал, из которого выполнена головка 2, имел минимальное отражение.
Измерительная вильчатая головка 2 содержит плечи 11 и 12, существенные части 13 и 14 которых расположены под прямым углом друг к другу и имеют приборы 15, 16 с зарядовой связью, расположенные строкой, которые служат в качестве светоприемников. Части 13 и 14 плеч имеют также расположенные примерно параллельно друг другу концевые участки 17 и 18, в каждом из которых размещены три источника света в виде светодиодов 19 и 20.
В измерительной головке 2 на фиг.2 показаны следующие области 3 измерений. В областях 21, контролируемое изделие освещается лишь одним или несколькими светодиодами одной стороны вилки. Если речь идет об одном светодиоде, то возможно лишь обнаружение объекта, а определение его положения невозможно. При двух или трех светодиодах возможно очень грубое определение положения. Однако области 21 обычно не служат для измерений.
В кольцевой области 22 измерений между плечами 11 и 12 вилки контролируемое изделие освещается по меньшей мере одним светодиодом на каждой стороне. Ожидаемая точность может быть достаточной для измерений. Если желательно увеличить точность, то в измерительном устройстве предусмотрен сигнализатор (не показан), который при выходе из достоверной основной области 23 выдает акустический предупреждающий сигнал. В зависимости от того, где в этой кольцевой области измерений находится контролируемое изделие, в освещении краев измеряемого объекта участвует от двух до пяти светодиодов. Поэтому возможны соответствующие колебания достигаемой точности.
В основной рабочей области 23 измерительной головки 2 освещение измеряемого объекта или его краев осуществляется всеми шестью светодиодами 19 и 20 и затем измерительное устройство производит анализ теней, отброшенных на приборы 15 и 16 с зарядовой связью. При соответствующем выборе параметров точность измерений в центральной зоне основной рабочей области 23 постоянна.
Оптический способ согласно изобретению выполняется следующим образом.
Измерительная система измерительного устройства 1 по существу состоит из трех отдельных измерительных вилок, работа которых основана на отбрасывании тени. Вилки последовательно переключаются и из измеренных значений вычисляется среднее значение. Основной принцип работы простой измерительной вилки состоит в двухстороннем освещении контролируемого изделия источниками света, в идеале точечными, и анализе отбрасываемой тени при помощи оптических датчиков. В данном варианте выполнения для освещения служат светодиоды 19 и 20, а для приема тени используются строки 15 и 16 из приборов с зарядовой связью.
С целью повышения точности система освещения просто была увеличена в три раза, причем ориентация была выбрана такой, чтобы сохранить систему датчиков. Таким образом, благодаря последовательному управлению светодиодами 19 и 20 и параллельному считыванию приборов 15 и 16 с зарядовой связью, несмотря на худший, по сравнению с лазером, источник света, можно получить высокую точность. Кроме того, благодаря этому заметно уменьшаются затраты.
Чтобы можно было определить общую конструкцию измерительного устройства 1 и его измерительной вильчатой головки 2, целесообразно точно определить пути световых лучей. Они зависят от размеров всех компонентов, длины и положения светочувствительной области в приборах 15 и 16 с зарядовой связью и угла излучения светодиодов 19 и 20.
При выборе конструктивных элементов следует принимать во внимание следующие критерии. Длина волны светодиодов 19 и 20 должна находиться в области максимальной чувствительности приборов 15 и 16 с зарядовой связью и в области хорошей видимости. При этом должна достигаться максимальная световая мощность при однородном излучении, а угол излучения должен соответствовать системе. В отношении приборов 15 и 16 с зарядовой связью предпочтительно, чтобы управление ими было максимально простым и чтобы они имели высокую разрешающую способность и как можно более длинную строку. Кроме того, целесообразно, чтобы их чувствительность могла изменяться в широком диапазоне, что может быть реализовано, например, посредством электронного затвора.
В механической конструкции оболочкового корпуса 9 предусмотрено, чтобы для уменьшения помех от окружающего света путь световых лучей к приборам 15 и 16 с зарядовой связью был как можно уже. Это учитывается при расположении приборов 15 и 16 с зарядовой связью, чтобы часть оптической системы не была затенена краями корпуса. Сами светодиоды 15 и 16 ориентированы в среднюю точку приборов с зарядовой связью так, что их световой конус может достигать всей поверхности соответствующих приборов с зарядовой связью, что показано на фиг.3 при помощи пучков 24-26 световых лучей, т.е. результат здесь был подтвержден путем построения на чертеже соответствующего угла излучения. При этом применена простая геометрическая оптика.
Чтобы улучшить освещение каждой строки 15 или 16, образованной приборами с зарядовой связью, без необходимости выполнять в оболочковом корпусе 9 отверстия, намного большего, чем сама строка, предпочтительно иметь возможность легкой корректировки положения каждого датчика. Эта корректировка производится по показанным на фиг.4 вспомогательным линиям 27 и 28, что означает смещение на величину, несколько большую чем 1,4 мм. Точные области измерений измерительной вильчатой головки 2, показанной на фиг.4, получаются аналогично примеру согласно фиг.2, если начертить вспомогательные линии также и для другой стороны.
На фиг.5 показаны тени от объекта 29 на одной стороне, где видно, что на поверхности приборов с зарядовой связью строки 16 фактически получаются три в достаточной степени разных теневых изображения.
Всего внутри измерительного устройства 1 находятся четыре печатные платы, одна из которых является готовым изделием модели Bluethooth. На фиг.2-5 из них видны две платы датчиков, состоящие из соответствующих строк 15 или 16 из приборов с зарядовой связью, а также соответствующего закрепленного там гироскопа 30 или 31 (фиг.5). Кроме того, на плате датчиков находится схема возбуждения (не показана) для светодиодов 19 и 20 соответствующей стороны вилки. Установка гироскопов 30, 31 на эти печатные платы существенно снижает трудоемкость монтажа для трехосной системы.
В рукоятке 10 измерительного устройства 1, наряду с микропроцессором и электроникой цифровой обработки сигналов, предусмотрены еще (зависящий от условий движения) датчик ускорения (не показан) и гироскоп в виде гироскопического компаса, отвечающий за данные х, y, z о положении в пространстве. Образованная таким образом навигационная система, которая используется, в частности при перемещении измерительного устройства вручную, работает на базе датчиков ускорения, поворота и магнитных полей.
Способ измерений и измерительное устройство согласно изобретению могут применяться в различных областях. Например, изобретение можно выгодно использовать при производстве и при обработке, например, гнутых труб и сплошных изделий, причем система согласно изобретению может служить как для определения данных эталонных деталей и опытных образцов, так и для контроля качества изготавливаемой продукции. Чтобы определить данные конструктивного элемента, требуется лишь просто провести измерительной вилкой 1, при помощи измерительного рычага или без него, над контролируемым изделием, без ее смещения, при этом определяются его геометрические данные, точнее, его средняя ось.
Изобретение можно также выгодно применять для обмера обтачиваемых деталей на токарном станке или на многоцелевом токарном станке. В этом случае контролируемое изделие вращают, а измерительную вилку перемещают над вращающейся деталью путем постоянной подачи.
Список обозначений
1 измерительное устройство (вилка)
2 вильчатая измерительная головка
3 области измерений
4 беспроводная связь
5 передача по кабелю
6 вставной элемент USB
7 ноутбук
8 гибочная машина
9 оболочковый корпус
10 рукоятка
11 плечо вилки
12 плечо вилки
13 часть плеча
14 часть плеча
15 светоприемник на приборах с зарядовой связью
16 светоприемник на приборах с зарядовой связью
17 концевой участок
18 концевой участок
19 светодиодный источник света
20 светодиодный источник света
21 зона области измерения
22 кольцевая зона области измерения
23 основная рабочая область
24 световые лучи
25 световые лучи
26 световые лучи
27 вспомогательные линии
28 вспомогательные линии
29 объект
30 гироскоп
31 гироскоп