УСТРОЙСТВО БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ РУЛОННОГО МАТЕРИАЛА

Полезная модель относится к измерительным устройствам, использующим оптические средства для измерения длины движущихся объектов и может быть использована для измерения погонных линейных размеров при выпуске и фасовании рулонной продукции, в частности: холоднокатанного проката, проводов и кабелей, резиновых и пластмассовых изделий, текстильного и тканного материала, целлюлозно-бумажного и нетканного материала, а также иных рулонных материалов. Областью применения полезной модели могут быть транспортные, складские и упаковочные технологии.
Известно изобретение «Устройство для измерения метража в электроприводе перемоточного станка» (Авторское свидетельство №1781535 по МПК G01B 7/02, БИ №46 за 1992 г.), содержащее измерительный элемент (в известном - многоимпульсный датчик угловых перемещений).
Известное изобретение обладает всеми недостатками, присущими контактным измерителям.
Контактный принцип имеет ряд существенных недостатков. Это - низкая точность измерения длины движущихся объектов, высокий износ оборудования, большой объем периодического обслуживания, высокая стоимость оборудования, обусловленная наличием большого количества механических деталей, прошедших точную металлообработку. Ошибки измерений возникают при проскальзывании и истирании измерительного колеса, что приводит к передаче следующему звену производственного цикла и, в конечном итоге, клиенту избыточной длины рулонного материала. Этот недостаток контактного прототипа является системным, поскольку уменьшение проскальзывания за счет увеличения степени его сцепления с движущимся объектом с одной стороны, увеличивает износ оборудования, с другой стороны, ограничивает область его применения в части рулонных материалов, которые таким сцеплением могут быть повреждены.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является изобретение «Устройство для измерения расстояний» (Авторское свидетельство №1776987 по МПК G01В 11/14, БИ №43 за 1992 г.), содержащее корпус (в заявляемом - держатель устройства), оптический измерительный элемент и средство обработки измерений (в известном - оптический преобразователь).
Недостатком известного устройства (прототипа) является то, что оно предназначено, главным образом, для измерения фиксированных расстояний и не приспособлено для измерения длины движущегося рулона, а тем более - для решения обратной задачи, когда требуется отмерить заданную любую длину с высокой точностью.
Кроме того, известное устройство, ориентированное для решения узкой специальной задачи, не наделено современными средствами автоматизации на базе ПК, что необходимо для эффективного управления с функциями документирования и отчетности в условиях интенсивного и точного производства.
Техническим результатом и целью заявляемой полезной модели является расширение функциональных возможностей пртотипа путем обеспечения бесконтактного измерения длины рулонного материала при одновременных увеличении точности измерения и повышении степени автоматизации устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство бесконтактного измерения длины рулонного материала, содержащее держатель устройства, оптический измерительный элемент и средство обработки измерений, на которое проецируется отраженный от рулонного материала оптический сигнал оптического измерительного элемента, и тем, что устройство дополнительно содержит блок ввода-вывода и персональный компьютер с операторскими средствами, при этом в качестве оптического измерительного элемента используют светодиод, первую и вторую линзы, а в качестве средства обработки измерений используют сенсор-процессор обработки изображений, причем держатель устройства с оптическим измерительным элементом закреплены неподвижно в непосредственной близости к движущемуся рулонному материалу, первая линза фокусирует свет от светодиода на поверхность движущегося рулонного материала, а вторая линза, собирая отраженный от материала свет, подает его на сенсор-процессор обработки изображений, выход которого связан с соответствующим входом блока ввода-вывода, выход которого связан с соответствующим входом ПК.
На фигурах 1, 2, 3, 4 и 5 соответственно представлены: эскиз устройства, пример последовательности снимков с поверхности рулона, пример встраивания устройства в существующую технологическую линию, пример структурной схемы блока ввода-вывода оптического координатно-указательного средства и пример блок-схемы алгоритма программы измерения длины рулонного материала.
Устройство содержит (фиг.1) светодиод 1, первую линзу 2, сенсор-процессор 3 обработки изображений, блок ввода-вывода 4, вторую линзу 5, держатель 6 устройства и персональный компьютер 7.
Измеряемый движущийся рулонный материал 8 не входит в состав устройства и показан для пояснения. Также для пояснения показана технологическая линия 9 (фиг.3).
Устройство бесконтактного измерения длины рулонного материала 8 содержащее держатель 6 устройства, оптический измерительный элемент и средство обработки измерений, на которое проецируется отраженный от рулонного материала оптический сигнал оптического измерительного элемента, дополнительно содержит блок ввода-вывода 4 и персональный компьютер 7 с операторскими средствами, при этом в качестве оптического измерительного элемента используют светодиод 1, первую 2 и вторую 5 линзы, а в качестве средства обработки измерений используют сенсор-процессор 3 обработки изображений, причем держатель 6 устройства с оптическим измерительным элементом закреплены неподвижно в непосредственной близости к движущемуся рулонному материалу 8, первая линза 2 фокусирует свет от светодиода 1 на поверхность движущегося рулонного материала 8, а вторая линза 5, собирая отраженный от материала свет, подает его на сенсор- процессор 3 обработки изображений, выход которого связан с соответствующим входом блока ввода-вывода 4, выход которого связан с соответствующим входом ПК.
Используемые в устройстве комплектующие элементы и материалы широко применяются в российской промышленности.
Наиболее сложным (после ПК 7) элементом является сенсор-процессор 3 (фиг.1) обработки изображений в качестве которого автор использовал типовую микросхему ADNS-3060, имеющую следующие технические характеристики:
Наименование параметра
Величина
Разрешение точек (пикселей) на дюйм
400-800
Частота осуществления снимков, кадров/сек
500, 1000, 1500, 2000, 2300, 6400
Максимально возможная скорость перемещения, м/сек
1,5
Ускорение при перемещении, м/сек в квадрате
150
Расстояние до отражающей поверхности, мм
2,3-5,0
Рекомендуемый диапазон рабочей температуры
от 0 до 40 градусов Цельсия
Предельный диапазон рабочей температуры
от -40 градусов до +85 градусов Цельсия
Блок 4 ввода-вывода (фиг.4) реализует аппаратный интерфейс стандартных портов ввода-вывода для непосредственной связи с ПК 7: RS 232, PS/2 или USB.
В качестве оптического измерительного элемента вместо светодиода 1 и линз 2 и 5 может быть использован компьютерный манипулятор типа «мышь», являющийся оптическим координатно-указательным средством. Соединительный кабель, являющийся частью оптического координатно-указательного средства (манипулятора), должен быть подсоединен к соответствующему порту персонального компьютера (ПК) 7.
Устройство работает следующим образом:
Держатель 6 устройства встраивается в существующую технологическую линию непосредственно над (под) неподвижным опорным валком или в точке максимального натяжения (прижима) рулонного материала 8 (фиг.3). Устройство может применяться в оригинальном корпусе производителя или встраиваться в конструкцию технологической линии. При этом, держатель 6 устройства должен обеспечивать жесткое крепление, предотвращающее свободное перемещение устройства в любой плоскости, а также демпфирующее вибрацию конструкции.
На фиг.4 показана структурная схема блока 4 ввода-вывода оптического координатно-указательного устройства, в соответствии с которой реализуется программный метод измерения длины рулонного материала.
Программное обеспечение измерения длины рулонного материала 8 реализуется штатными средствами программных библиотек, входящих во все основные языки программирования высокого уровня (С, С++, Pascal, Borland, Delphi и т.п.), поскольку подразумевает обслуживание стандартного координатно-указательного устройства, подключенного через любой из стандартных портов (RS232, PS/2, USB, НID). Это справедливо для всех распространенных операционных систем персональных компьютеров, использующих в качестве координатно-указательного устройства манипулятор типа «мышь», С помощью светодиода 6 и фокусирующей его свет линзы 2 под устройством подсвечивается участок поверхности движущегося материала 8. Отраженный от этой поверхности свет, в свою очередь, собирается другой линзой 5 и попадает на приемный сенсор микросхемы сенсора-процессора 3 обработки изображений. Процессор обработки изображений делает снимки поверхности с частотой, например, 6400 кадров/сек посредством встроенной системы получения изображения (СПИ). Каждый снимок представляет собой квадратную матрицу, например, размером 22 на 22 пикселей, цвет каждого из которых закодирован 8-ю битами т.е. одним байтом, что соответствует 256 градациям серого цвета. На основании анализа последовательности снимков разного содержания (фиг.2) интегрированный процессор цифровых сигналов (ПЦС), находящийся внутри микросхемы 3, высчитывает приращения, соответствующие относительному перемещению устройства и объекта вдоль осей Х и Y. Величины приращений координат передаются в блок 4 ввода-вывода, который реализует аппаратный интерфейс стандартных портов ввода-вывода (RS232, RS/2 или USB) для непосредственной связи с персональным компьютером 7.
Дальнейшая обработка полученной информации осуществляется в соответствии с используемой программой, загруженной в ПК 7, например, по алгоритму, представленному на фиг.5.
Программное обеспечение выходит за рамки настоящего технического решения и здесь не рассматривается. Отметим лишь, что программная обработка завершается расчетом абсолютного перемещения рулонного материала 8, величин и временных меток для учета измеренной длины рулонного материала 8 и ведения протоколов производственной деятельности (начало работ, остановки, простои, перезагрузка оборудования, окончание работ).
Заявляемое устройство бесконтактного измерения длины рулонного материала 8 при минимальных затратах на внедрение позволяет:
производить измерения на любом виде поверхности, ее цвете и материале (кабель, тканные и нетканные материалы, пластик, пленка, металл и прочие);
заменить традиционные контактные колесные измерители;
обеспечить более высокую чем у прототипа точность измерения длины рулонного материала 8 (с точностью до размера пикселя);
уменьшить объем периодического обслуживания;
уменьшить непроизводительные отходы производства;
увеличить выход коммерческой длины;
протоколировать в полном объеме производственный процесс;
улучшить обратные связи в технологической цепочке.