УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИУСОВ КРИВИЗНЫ, ВЕЛИЧИНЫ ОВАЛЬНОСТИ И ФОРМЫ ПРОФИЛЯ СТАЛЬНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ БОЛЬШИХ ДИАМЕТРОВ
DEVICE FOR MEASURING THE RADII OF CURVATURE, THE SIZE OF THE OVALITY AND THE SHAPE OF THE PROFILE OF STEEL CYLINDRICAL PARTS OF LARGE DIAMETERS

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения радиусов кривизны, величины овальности и формы профиля стальных цилиндрических деталей больших диаметров объектов из магнитных материалов (например, углеродистых сталей) или их составных частей, в том числе для проведения работ по измерению овальности металлических конструкций, паспортизации труб и диагностирования систем трубопроводного транспорта с целью определения напряжений изгиба в стенках труб с изменяющейся кривизной их поперечных сечений при внутренних или внешних воздействиях.
Известно устройство для измерения радиуса кривизны цилиндрической поверхности крупногабаритных деталей (патент RU 73963) содержащее корпус, опирающийся на измеряемую поверхность с помощью закрепленных по концам корпуса опорных элементов, и измерительный преобразователь, размещенный на корпусе по его центральной оси, отличающееся тем, что с одного края корпуса расположены два опорных элемента симметрично продольной оси корпуса, а на другом краю корпуса на продольной оси расположен один опорный элемент, два измерительных преобразователя расположены на середине расстояния между опорными элементами, симметрично продольной оси корпуса. Устройство не содержит в своем составе регистрирующего блока, что затрудняет фиксацию последовательных измерений локальных радиусов для построения профиля поверхности, устройство устанавливается на поверхность исследуемой детали при помощи статичных опорных элементов, что делает невозможным плавное перемещение устройства по контролируемой поверхности.
Известно устройство для измерения радиуса кривизны цилиндрической поверхности крупногабаритных деталей (патент RU 153456) состоящее из корпуса в виде стержня прямоугольного поперечного сечения с прямоугольными отверстиями, в которых размещены постоянные магниты, зафиксированные стопорными винтами. На одном из концов корпуса выполнена прорезь, в которой расположен один опорный ролик, установленный на ось, а на противоположном конце корпуса по его бокам на оси установлены два опорных ролика, на внешних боковых поверхностях каждого из которых нанесена по кругу шкала с делениями для определения расстояния, пройденного устройством по поверхности крупногабаритной детали. В корпусе выполнены дополнительные отверстия для установки роликов с измененным базовым расстоянием. Посередине базового расстояния выполнено круглое отверстие для установки измерительного прибора с фиксированием его стопорным винтом. На концах корпуса установлены на клеевой состав упругие фрикционные элементы. На боковой поверхности корпуса для отсчета расстояния нанесена стрелка-указатель. Устройство не содержит в своем составе регистрирующего блока, что затрудняет проведение серии измерений локальных радиусов для построения профиля поверхности, пройденное по поверхности исследуемой детали расстояние отсчитывается по делениям, нанесенным на опорный ролик, что ведет к необходимости дополнительно вести ручной счет оборотам колеса, отсутствует возможность автоматически установить совершение полного оборота измерительного устройства вдоль периметра сечения.
Устройство для измерения радиуса кривизны цилиндрической поверхности крупногабаритных деталей (патент RU 153456) является наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату и выбрано в качестве прототипа.
Техническим результатом изобретения является повышение точности и скорости определения радиусов кривизны в поперечном сечении цилиндрических поверхностей труб и деталей трубопроводов.
Технический результат достигается тем, что устройство для измерения радиусов кривизны, величины овальности и формы профиля стальных цилиндрических деталей больших диаметров содержит корпус, выполненный с возможностью изменения базового расстояния и опирающийся на измеряемую поверхность с помощью одного переднего и двух задних опорных роликов, измерительный преобразователь, расположенный на корпусе на середине базового расстояния, причем передний и задние опорные ролики выполнены из магнитного материала, обеспечивающего отсутствие проскальзывания по измеряемой поверхности, и установлены с возможностью вращения на передвижных стойках, закрепленных с помощью стопорных винтов на корпусе, а в качестве измерительного преобразователя используется бесконтактный датчик расстояний, пройденное расстояние по измеряемой поверхности измеряется энкодером, соединенным общей осью с задними опорными роликами; датчик индуктивности, установленный на передвижной стойке с передним роликом, взаимодействует с инициатором, представляющим собой металлическую пластину на магнитной опоре, устанавливаемым на объекте контроля, а вся измеряемая информация записывается в регистрирующий блок, закрепленный на корпусе, регистрирующий блок содержит микроконтроллер и связанные с ним модуль постоянного запоминающего устройства, блок управления, блок индикаторов, экран для вывода информации, блок питания.
Устройство для измерения радиусов кривизны, величины овальности и формы профиля стальных цилиндрических деталей больших диаметров (далее устройство) изображено на фиг. 1, 2. На Фиг. 1 представлен общий вид устройства, на Фиг. 2 представлена укрупненная электронная схема устройства.
Устройство состоит из корпуса 1, передвижных стоек 2, переднего опорного ролика 3, задних опорных роликов 4, измерительного преобразователя 5, энкодера 6, датчика индуктивности 7, инициатора 8, устанавливаемого на объект контроля 9, регистрирующего блока 10, микроконтроллера 11, модуля постоянного запоминающего устройства 12, блока управления 13, блока индикаторов 14, блока питания 15, экрана для вывода информации 16.
Устройство содержит корпус 1, выполненный с возможностью изменения базового расстояния за счет закрепленных на нем стопорными винтами передвижных стоек 2, на которых установлены передний опорный ролик 3 и задние опорные ролики 4, выполненные из магнитного материала, обеспечивающего отсутствие проскальзывания при передвижении по измеряемой поверхности объекта контроля 9. Измерительный преобразователь 5, расположенный на корпусе 1 на середине базового расстояния, представляет собой бесконтактный датчик расстояний. Пройденное расстояние по измеряемой поверхности измеряется энкодером 6, соединенным общей осью с задними опорными роликами 4.
Начало и завершение измерений инициируется сигналом от датчика индуктивности 7, установленным на передвижной стойке 2 с передним опорным роликом 3. Датчик индуктивности 7 срабатывает при прохождении инициатора 8, представляющего собой отдельно устанавливаемую на объекте контроля 9 выступающую металлическую пластину на магнитной опоре. Вся измеряемая информация записывается в регистрирующий блок 10, закрепленный на корпусе 1. Регистрирующий блок 10 содержит микроконтроллер 11 и связанные с ним модуль постоянного запоминающего устройства 12, блок управления 13, блок индикаторов 14, экран для вывода информации 16 и блок питания 15.
Микроконтроллер 11 обеспечивает, хранение системной программы, настроек и взаимосвязь электронных компонентов устройства. Модуль постоянного запоминающего устройства 12 обеспечивает хранение данных, передаваемых от измерительного преобразователя 5 и энкодера 6, преобразованных в требуемый формат на микроконтроллере 11. Блок управления 13 служит для включения/выключения устройства, изменения настроек, запуска и остановки измерений. Блок индикаторов 14 отображает состояние ключевых параметров устройства и его текущий режим работы. Блок питания 15 обеспечивает снабжение электронных компонентов устройства требуемой электроэнергией. Экран для вывода информации 16 служит для визуализации текущих настроек устройства и установленных параметров измерений.
При помощи устройства с заданной дискретизацией вдоль периметра поперечного сечения определяют локальные радиусы кривизны цилиндрической поверхности и на основе полученных данных строят поперечный профиль исследуемой поверхности.
Расстояние, пройденное опорным роликом, рассчитывается по формуле 1
,
i
где e - количество импульсов полученное от энкодера;
π - константа, равная 3,1416;
R - наружный радиус опорных роликов;
Е - выдаваемое энкодером количество импульсов за один полный оборот опорного ролика.
Величина локального радиуса в точке контроля рассчитывается по формуле 2
,
где Rк - радиус опорных роликов, мм.
Ri - радиус кривизны поверхности в точке измерений, мм;
Н - показания измерительного преобразователя на плоской поверхности, мм;
hi - показания измерительного преобразователя в точке контроля, мм;
L - базовое расстояние, мм.
Устройство работает следующим образом.
До начала измерений устройство устанавливается на исследуемую поверхность таким образом, чтобы при движении оно перемещалось вдоль периметра сечения детали. Также на исследуемую поверхность перед датчиком индуктивности устанавливается инициатор. Устройство включается, производится настройка необходимых параметров, затем его начинают перемещать по периметру исследуемого сечения. При первом пересечении датчиком индуктивности инициатора, установленного на исследуемой поверхности, начинается процесс автоматической фиксации измерения расстояния от измерительного преобразователя до исследуемой поверхности и пройденного пути. Процесс измерения высоты, расчета пройденного расстояния (по формуле 1) и записи полученных результатов измерений в память устройства выполняется после каждого импульса энкодера. При втором пересечении датчиком индуктивности инициатора процесс выполнения измерений и записи автоматически завершается. В результате в модуль постоянного запоминающего устройства сохраняется структурированная информация, содержащая результаты прямых измерений. После завершения измерений данные из памяти устройства копируют в ЭВМ для последующей обработки. При обработке результатов на ЭВМ выполняют расчет локальных радиусов (по формуле 2), после этого, с использованием полученного распределения локальных радиусов выполняют построение поперечного профиля исследуемой поверхности и определяют величину овальности исследуемой цилиндрической детали. Хранение информации в цифровом виде позволяет использовать ее с высокой степенью автоматизации при анализе результатов измерений и составлении отчетов.
Точность определения радиусов кривизны в поперечном сечении цилиндрических поверхностей труб и деталей трубопроводов достигается за счет значительного массива последовательных измерений. Автоматическая фиксация измерений и последующая обработка полученного массива информации нивелируют влияние человеческого фактора и увеличивают скорость получения итогового результата в требуемом виде.
Реализация устройства возможна на базе микроконтроллеров ATmega168, ATmega328, ATmega2560, Cortex-М3 и других, имеющих энергонезависимую память минимум 512 байт для хранения данных калибровки. В качестве энкодера возможно применение электронно-оптического инкрементального энкодера, например Encoder-400, LPD3806-400 ВМ. Корпус устройства выполняется из стали, твердого пластика или другого материала, близкого по характеристикам устойчивого к деформациям.