Лазерное оптико-электронное устройство для измерения размеров обечаек

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения геометрических параметров цилиндрических крупногабаритных объектов. Цель изобретения повышение точности. Первоначально производится автоматический поиск центра изделия. После того, как определена база измерения, производится измерение профиля сечения внутренней поверхности обечайки, оптическая система головки создает изображение участков изделия в плоскости расположения концов световодов 13-16. Кроме того, при включении режима измерения перед концом световода, соответствующего фотоприемнику 22, устанавливается подвижная диафрагма 17 с отверстием, которая позволяет измерять отклонения размера в определенной точке контура обечайки. Напряжения с выхода усилителя 23 поступает на формирователь 29 импульсов, соединенный с индикатором 34, который регистрирует отклонение внутреннего размера от номинального. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения геометрических параметров цилиндрических полых крупногабаритных деталей, и может быть использовано в тяжелом машиностроении при производстве обечаек основных базовых деталей химнефтеаппаратуры. В тяжелом машиностроении измерение геометрических параметров обечаек осуществляется в основном с помощью рулетки, кронциркуляции, шаблонов и других контактных устройств. Реже применяются оптические измерительные устройства на базе теодолита. Все перечисленные выше измерительные средства не обеспечивают необходимой точности и быстродействия измерения и, кроме того, не могут быть использованы в автоматизированных системах управления технологическими процессами. Однако для предприятий этой отрасли разработана оптико-электронная измерительная система (Химическое и нефтяное машиностроение, 1975, N 3, с.38), рассмотренная в качестве базового объекта. Измерительная система содержит преобразователь отклонения границы изделия от оптической оси, который предварительно перед изменением устанавливается на номинальный размер обечаек относительно неподвижного валка листогибочной машины. Измерение осуществляется в процессе вращения обечайки в валках машины. Результат измерения регистрируется с помощью стрелочного индикатора и самопишущего прибора. Профилограмма контура обечайки, регистрируемая самопишущим прибором, отличается от формы изделия, так как измерительная система реализует бесцентровый метод измерения, а измерительный преобразователь эквивалентен плоскому качающему наконечнику контактного прибора. Точность измерения геометрических параметров с помощью этой системы ограничена смещением обечайки в процессе вращения из-за деформации валков и ее колебания, а также большим допуском на толщину листовых заготовок, так как система осуществляет измерения наружного диаметра, а базовым размером является внутренний. Все эти недостатки ограничивают область применения оптико-электронной системы с такой схемой измерения. Из известных оптико-электронных устройств наиболее близким по технической сущности является лазерное оптико-электронное устройство для измерения размеров обечаек (Авт. св. N 1547488, кл. G 01 В 19/12- 1990). Устройство содержит оптическую измерительную головку с приводом вращения, состоящую из четырех зеркал с приводом поворота, зеркальной пирамиды с виброприводом, четырех световодных вилок, лазера и объектива, установленную на перемещающемся двухкоординатном механизме, соединенном с двумя серводвигателями, регистратор сигналов из четырех цепей, каждая из которых включает последовательно соединенные фотоприемник, усилитель-формирователь импульсов, фильтр низкой частоты, попарно соединенные с двумя блоками вычитания, с усилителями и электроприводами, а измерительную цепь, включающую подвижную диафрагму и последовательно соединенные усилитель, формирователь импульсов и индикатор. Недостатком этого устройства является ограниченная точность измерения, так как это устройство имеет громоздкую механическую конструкцию, которая при нагревании, и тем более неравномерном, деформируется, что свою очередь ведет к угловому смещению оптической измерительной головки. Кроме того, двухкоординатный механизм с направляющими имеет зазоры и люфты, обусловленные технологией их производства, которые также ограничивают точность базирования оптической измерительной головки, а в режиме работы устройства поиска центра детали являются причиной автоколебаний, что также приводит к снижению точности базирования головки. Целью изобретения является повышение точности измерения. Поставленная цель достигается тем, что в лазерном оптико-электронном устройстве для измерения размеров обечаек, содержащем основание, двухкоординатный механизм с двумя серводвигателями, оптическую измерительную головку, установленную с возможностью вращения вокруг своей оси на двухкоординатном механизме и состоящую из оптически связанных объектива, зеркальной пирамиды с виброприводом, четырех зеркал с приводом поворота и четырех световодных вилок и лазера, диафрагму, установленную между оптической головкой и входными торцами световодных вилок, и регистратор сигналов, состоящий из четырех цепей центровки, каждая из которых состоит из последовательно соединенных фотоприемника, формирователя импульсов и фильтра низкой частоты, двух блоков вычитания, входы каждого из которых подключены к выходам двух соответствующих фильтров низкой частоты, и измерительной системы, состоящей из последовательно соединенных формирователя импульсов, вход которого подключен к выходу первого фотоприемника, и индикатора, и двух серводвигателей, входы которых подключены к выходам соответствующих блоков вычитания, двухкоординатный механизм выполнен в виде телескопической штанги с площадкой, предназначенной для установки оптической измерительной головки, расположенной на ней с возможностью вращения вокруг оптической оси, пневматического демпфирующего блока, шарнирно соединенного со штангой, упругой оболочки, установленной на основании и связанной со штангой, посредством тросовой системы, которая связывает серводвигатели с оптической измерительной головкой. Указанное отличие позволяет повысить точность измерения геометрических параметров обечаек за счет замены громоздких механических конструкций упругой системой, исключающей деформации и люфты, а соответственно, и погрешности, обусловленные этими причинами. На фиг.1 изображена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 торцы световодов в плоскости изображения оптической системы; на фиг.3, 4 конструкция системы. Оптическая измерительная головка представляет собой корпус 1 (фиг.1), в котором закреплены объектив 2, упругая подвеска 3 с закрепленными на ней сердечником 4 и четырехгранной зеркальной пирамидой 5, катушка 6 вибропривода, соединенная с генератором 7, четыре зеркала 8. Зеркала 8 установлены на осях, закрепленных в корпусе 1 и расположенных по сторонам квадрата, центрально-подобного основанию пирамиды 5. Для увеличения зоны сканирования и уменьшения расхождения луча лазера поверхности зеркал 8 имеют вогнутую цилиндрическую поверхность. На корпусе 1 головки установлена на резьбе гайки 9 с внутренней конической поверхностью, в которую с помощью пружину 10 упираются рычаги 11, жестко соединенные с зеркалами 8. Таким образом, при вращении гайки 9 происходит поворот зеркал 8 на одинаковые углы, за счет чего осуществляется установка измерительного устройства на заданный размер обечайки. Корпус 1 оптической головки установлен в подшипнике 12 с возможностью поворота вокруг оптической оси объектива. В плоскости изображения объектива 2 установлены спаренные концы световодных вилок 13-16 по сторонам квадрата (фиг. 2), центрально-подобного основанию пирамиды 5. Напротив конца одной из световодных вилок 1 установлена подвижная диафрагма 17 с отверстием. Четыре конца из каждой пары световодных вилок соединены вместе, напротив которых установлен лазер 18, а другие концы из каждой пары установлены напротив соответствующих фотоприемников 19-22. Фотоприемники 19-22 соединены через контакты реле Р₁ и Р₂ с входами усилителей 23-27, усилитель 23 охвачен отрицательной обратной связью с помощью блока АРУ 28. А выходы усилителей 23-27 соединены с формирователями импульсов триггерами Шмитта (20-33), формирователь 29 соединен с индикатором 23, а остальные с фильтрами 35-38 низкой частоты. Выходы фильтров 35 и 36 соединены с блоком 39 вычитания, а фильтров 37 и 38 соответственно с блоком 40 вычитания. Выходы блоков 39 и 40 вычитания подключены соответственно к усилителям электроприводов 41 и 42, соединенных с серводвигателями 43 и 44. На фиг.3 изображена конструкция двухкоординатного механизма. Изделие 45 установлено в валках листогибочной машины 46. С торцовой стороны обечайки на основании закреплена жестко упругая оболочка 47, с которой шарнирно соединена телескопическая штанга 48, закрепленная также на основании, но с возможностью поворота. Для исключения колебаний при переходных режимах штанга 48 имеет пневматический демпфирующий блок, представляющий собой две полые замкнутые полости, соединенные калиброванным отверстием (фиг. 4). На площадке, связанной с упругой оболочкой 47 и штангой 48, закреплена оптическая измерительная головка с встроенным электроприводом 49 вращения. Серводвигатели 43 и 44 с помощью двух барабанов 50 через тросовую систему 51 связаны с оптической измерительной головкой электропривода 49. Работает устройство следующим образом. Оптическая система головки, состоящая из зеркал 8, пирамиды 5 и объектива 2, создает изображение у участков изделия в плоскости расположения концов световодных вилок 13-16. С помощью гайки 9 зеркала 8 устанавливается так, чтобы проектировались участки изделия только с одной границей (внутренней или наружной). На наружной поверхности гайки 9 нанесены деления, соответствующие номинальному размеру изделия. С помощью лазера 18, световодных вилок 13-16 и оптической системы головки (2, 5, 8) осуществляется подсветка изделия, причем только тех участков, с которых происходит съем информации. При колебаниях пирамиды 5 с помощью вибропривода, состоящего из сердечника 4, катушки 6 и генератора 7, вдоль оптической оси объектива проекции участков изделия, освещенных лазером, также совершает колебания относительно концов световодных вилок 13-16. Поэтому на входы фотоприемников 19-22 через световоды вилок 13-16 поступают импульсы светового потока, отраженного от изделия, и на выходах усилителей 24-27 будут соответствующие импульсы напряжения. В режиме поиска центра изделия контакты реле Р₂ замкнуты, а реле Р₁ разомкнуты. Рассмотрим сначала работу системы автоматического поиска центра изделия, которая состоит из двух идентичных следящих регулирования по двум координатам. Поэтому рассмотрим работу системы по одной координате. Для увеличения крутизны фронтов импульсов усилители имеют большой коэффициент усиления. Затем сигналы с выходов усилителей 24-27 поступают на входы формирователей 30-33, которые преобразуют сигналы усилителей в прямоугольные импульсы постоянной амплитуды. Длительность этих импульсов пропорциональна положению касательной к проекции участка изделия. С помощью фильтров 35, 36 низкой частоты величина длительности этих импульсов преобразуется в постоянное напряжение, фильтры 35, 36 подключены к блоку 39 вычитания, где определяется сигнал, пропорциональный смещению середины между касательными к контуру изделия относительно оптической оси объектива 2. Сигнал с блока 39 вычитания поступает на вход усилителя электропривода 41, соединенного с серводвигателем 43, который в свою очередь через барабан 50 с помощью тросовой системы 51 перемещает оптическую измерительную головку электропривода 49 до того положения, при котором оптическая ось объектива 2 займет положение на середине между касательными к контуру обечайки (45). Упругая оболочка 47 создает противодействующее усилие. Тормозное усилие, пропорциональное скорости относительного перемещения частей штанги для исключения колебаний, создает пневматический демпфирующий блок, отверстие которого ограничивает поток воздуха, переходящего из одной полости штанги в другую. Аналогично работает система автоматического регулирования по другой координате. После того, как система автоматического писка центра изделия определила базу измерения, производится измерение профиля сечения внутренней поверхности обечайки, в этом режиме работы контакты реле Р₂ разомкнуты, а контакты реле Р₁ замкнуты. Оптическая система головки с помощью гайки 9 устанавливается на номинальный внутренний размер обечайки, то есть чтобы при вращении головки электропривода 49 с помощью встроенного электропривода регистрировалось отклонение внутреннего размера обечайки. Кроме того, при включении режима измерения перед концом световодной вилки, соответствующей фотоприемнику 22, устанавливается подвижная диафрагма 17 с отверстием, которая позволяет измерять отклонение размера в определенной точке контура обечайки. Сигнал с фотоприемника 22 усиливается усилителем 23, охваченным блоком АРУ 28. Напряжение с выхода усилителя 23 поступает на формирователь 29 импульсов, соединенный с индикатором 34, который регистрирует отклонение внутреннего размера от номинального. При внедрении лазерного оптико-электронного устpойства для измерения размеров обечаек повышается точность измерения в процессе их производства, что исключает повторный технологический цикл правку, что связано с дополнительными материальными затратами. При повышении технологической точности обечаек повышается производительность труда при сборке химнефтеаппаратуры и улучшаются эксплуатационные характеристики химнефтеаппаратуры.

Формула изобретения

ЛАЗЕРНОЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗМЕРОВ ОБЕЧАЕК, содержащее основание, двухкоординатный механизм с двумя серводвигателями, оптическую измерительную головку, установленную с возможностью вращения вокруг своей оси на двухкоординатном механизме и состоящую из оптически связанных объектива, зеркальной пирамиды с виброприводом четырех зеркал с приводом поворота и четырех световодных вилок и лазера, диафрагму, установленную между оптической головкой и входными торцами световодных вилок и регистратор сигналов, состоящий из четырех цепей центровки, каждая из которых состоит из последовательно соединенных фотоприемника, формирователя, импульсов и фильтра низкой частоты, двух блоков вычитания, входы каждого из которых подключены к выходам двух соответствующих фильтров низкой частоты, и измерительной цепи, состоящей из последовательно соединенных формирователя импульсов, вход которого подключен к выходу первого фотоприемника, индикатора и двух серводвигателей, входы которых подключены к выходам соответствующих блоков вычитания, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, двухкоординатный механизм выполнен в виде телескопической штанги с площадкой, предназначенной для установки оптической измерительной головки, расположенной на ней с возможностью вращения вокруг оптической оси, пневматического демпфирующего блока, шарнирно соединенного со штангой, упругой оболочки, установленной на основании и связанной со штангой посредством тросовой системы, которая связывает серводвигатели с оптической измерительной головкой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4