СПОСОБ КОНТРОЛЯ РАЗМЕРОВ ТРУБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК G01B17/00 G01B7/31 G01N29/26 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для контроля размеров длинномерных цилиндрических полых деталей (труб), в частности радиального биения внутренней поверхности и разностенности, как в процессе изготовления деталей, так и при их разбраковке.

Известен способ определения размеров поперечного сечения внутренней полости длинномерных деталей типа трубы на основе применения измерительного устройства, действующего по фиксированной линии измерений, которая направлена перпендикулярно продольной оси трубы. Измерительное устройство, реализующее способ, последовательно занимает положения, соответствующие измеряемым параметрам поперечного сечения. С его помощью определяют расстояние от фиксированных по отношению к этому устройству точек до наружной поверхности трубы. Кроме того, с помощью данного устройства измеряют толщину стенки трубы в точках наружной поверхности, до которых было измерено расстояние. Используя измеренные величины, вычисляют размер сечения трубы по наружному диаметру путем вычитания из расстояния между двумя фиксированными точками расстояний от этих точек до наружной поверхности трубы. Далее вычисляют размер сечения трубы по внутреннему диаметру путем вычитания из расстояния между двумя фиксированными точками расстояний от этих точек до наружной поверхности трубы и толщины ее стенки [1]
Недостатком известного способа и устройства является невозможность его использования для измерения радиального биения внутренней поверхности и разностенности трубы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу и устройству является способ, реализуемый с помощью устройства для измерений отклонения формы внутренней поверхности трубы [2] Сущность предложенного способа заключается в том, что осуществляют измерения, используя наружную поверхность трубы при ее повороте или продольном перемещении с помощью ультразвукового преобразователя (УЗП), контактирующего с наружной поверхностью трубы. Ультразвуковым толщиномером измеряют толщину стенки, а с помощью измерительного преобразователя перемещений (ИПП), входящего в состав устройства, детектируют изменение расстояния до наружной поверхности трубы. Затем путем сравнения выходных сигналов толщиномера и измерителя перемещений определяют величины отклонения формы внутренней поверхности измеряемой трубы.

Устройство для измерений отклонения формы внутренней поверхности трубы предусматривает механизм поддержки и возможности подвода и отвода контактной головки, а также средства индикации и регистрации, в частности стрелочный прибор, отображающий величину отклонения формы внутренней поверхности измеряемой трубы. Ультразвуковой преобразователь установлен с возможностью свободного перемещения в направлении, перпендикулярном к наружной поверхности трубы, с помощью механизма поддержки, который обеспечивает постоянный упругий контакт ультразвукового преобразователя с наружной поверхностью трубы.

Недостатком известного способа и устройства для его реализации является то, что их с помощью также не достигается контроль радиального биения внутренней поверхности и разностенности труб.

Целью разработки способа и устройства для его осуществления является получение технического результата, заключающегося в обеспечении измерений радиальных биений внутренней и наружной поверхностей трубы.

Для достижения поставленной цели предложен способ контроля размеров труб, включающий измерения в поперечном сечении вращающейся трубы отклонений наружной поверхности от центра вращения сечений и толщины стенки, при котором ориентируют непрерывно ось измерений по нормали к наружной поверхности трубы, измеряют отклонение центра профиля наружной поверхности от центра вращения сечения и отклонение толщины стенки от среднего значения, осуществляют вычитание измеренных величин и по разности максимального и минимального значений результата вычитания судят о радиальном биении внутренней поверхности трубы.

Устройство для осуществления способа содержит установленные в механизме поддержки и контактирующие с трубой измерительные преобразователи ультразвукового толщиномера и линейных перемещений, связанные с ними входами два канала регистрации, подключенный к выходам каналов блок вычитания, а к выходу последнего индикаторный прибор, при этом измерительные преобразователи толщиномера и линейных перемещений расположены с совпадением их осей измерений и объединены в систему, установленную в механизме поддержки на шарнирной подвеске с обеспечением непрерывного ориентирования оси измерений по нормали к наружной поверхности вращающейся трубы.

При определении радиального биения внутренней поверхности контролируемую трубу вращают с частотой до 10 1/мин, устанавливают блок измерительных преобразователей в заданном поперечном сечении, обеспечивают контактирование ультразвукового преобразователя (УЗП) с наружной поверхностью трубы и непрерывно измеряют в указанном сечении проекции на ось измерений двух вращающихся векторов:
проекцию отклонения H н центра О_н профиля наружной поверхности от центра 0 вращения сечения с помощью измерительного преобразователя перемещений (ИПП), например, индуктивного;
проекцию отклонения нв центра 0_н профиля наружной поверхности от центра 0_в профиля внутренней поверхности, соответствующей отклонению Δт толщины стенки от среднего значения Т_ср, с помощью толщиномера, например ультразвукового эхоимпульсного типа УТ-91П ("Кварц-15").

Среднее значение толщины стенки определяется концентричным положением профилей наружной и внутренней поверхностей трубы.

Полученные данные с учетом знаков непрерывно поступают в вычитающее устройство, которое формирует результирующий сигнал, соответствующий проекции отклонения в центра 0_в профиля внутренней поверхности от центра 0 вращения сечения на ось измерений в соответствии с выражением:
в= н-нв, где в отклонение центра 0_в профиля внутренней поверхности трубы от центра 0 вращения сечения;
н- отклонение центра 0_н профиля наружной поверхности трубы от центра 0 вращения сечения;
нв отклонение центра 0_н профиля наружной поверхности от центра 0_в профиля внутренней поверхности, проекция которого на ось измерений практически соответствует отклонению Δт толщины стенки от среднего значения Т_ср.

По разности максимального и минимального значений проекции отклонения в центра 0_в профиля внутренней поверхности от центров 0 вращения сечения судят о радиальном биении В внутренней поверхности.

При этом должно выполняться условие, что погрешности формы трубы пренебрежимо малы по сравнению с измеряемыми величинами радиального биения внутренней поверхности и разностенности.

На фиг.1 изображено поперечное сечение трубы; на фиг.2 графики проекций отклонений н нв и в, соответствующих сечению, изображенному на фиг.1. На графиках указаны: Н радиальное биение наружной поверхности; Р разностенность; В радиальное биение внутренней поверхности. На фиг.3 изображена структурная схема устройства, где в сечении трубы обозначены:
0 центр вращения сечения трубы;
0_н центр профиля наружной поверхности;
0_в центр профиля внутренней поверхности.

На фиг.4 изображен продольный разрез измерительного блока; на фиг.5 разрез А-А на фиг.4.

Устройство содержит два измерительных канала (канал измерений отклонения толщины стенки трубы от среднего значения и канал измерений отклонения центра профиля наружной поверхности от центра вращения сечения трубы), блок вычитания и регистрирующий индикаторный прибор. Канал измерений отклонений толщины стенки от среднего значения имеет в своем составе ультразвуковой преобразователь 1, соединенный с выходом генератора 2 зондирующего импульса, вход которого связан с выходом синхронизатора 3. Приемная пластина преобразователя 1 соединена с входом усилителя 4 отраженного сигнала, выход которого связан с входом компаратора 5, а выход компаратора 5 с входом формирователя 6 измерительного импульса. Вход временного селектора 7 соединен с выходом формирователя 6 измерительного импульса и с выходом синхронизатора 3, а его выход с входом формирователя 6 измерительного импульса. Второй выход синхронизатора 3 связан с входом формирователя 8 компенсирующего импульса, а выход формирователя 6 измерительного импульса с входом преобразователя 9 масштаба измерительного импульса. Выход формирователя 8 компенсирующего импульса соединен с входом преобразователя 10 масштаба компенсирующего импульса, а выход последнего, как и выход преобразователя 9 измерительного импульса, с входом интегратора-усилителя 11.

Канал измерений отклонения центра профиля наружной поверхности от центра вращения сечения содержит индуктивный преобразователь 12 перемещений (в част- ности трансформаторного типа), соединенный с выходом генератора 13. Измерительная обмотка преобразователя 12 связана с входом фазочувствительного детектора 14, а выход детектора с входом операционного усилителя 15.

Выход усилителя 15, как и выход усилителя-интегратора 11, соединен с входом блока вычитания 16, а выход последнего со стрелочным прибором 17.

Измерительный блок (фиг.4 и 5) состоит из следующих основных частей: корпуса 18; шарнирного подшипника 19; стакана 20; ультразвукового преобразователя 21; индуктивного преобразователя 22 перемещений; опоры 23; ориентирующей призмы 24; втулки 25; кожуха 26; разъема 27 и двух державок 28.

В корпусе 18 измерительного блока установлен шарнирный подшипник 19, в результате чего стакан 20 и связанные с ним ультразвуковой 21 и индуктивный 22 измерительные преобразователи имеют возможность поворота в двух плоскостях. В стакане 20 размещена подпружиненная опора 23 с призмой 24, контактирующей с трубой и ориентирующей ось измерений преобразователей 21 и 22 по нормали к наружной поверхности трубы. Ультразвуковой преобразователь 21 закреплен в подпружиненной втулке 25, которая соединена со штоком индуктивного преобразователя 22, в результате чего последний измеряет перемещения ультразвукового преобразователя 21, т. е. отклонение проекции вектора н на ось измерений. Индуктивный преобразователь 22 перемещений закрыт защитным кожухом 26. Электрические сигналы измеряемых величин выводятся из измерительного блока через разъем 27, закрепленный на корпусе 18. Для фиксации измерительного блока относительно контролируемой трубы, например в резцедержателе суппорта токарного станка, на корпусе 18 блока закреплены две державки 28.

При измерениях труба закрепляется в центрах токарного станка, после чего ей придается вращение. Наружная поверхность трубы в контролируемом сечении покрывается слоем контактной жидкости для обеспечения акустического контакта детали с ультразвуковым преобразователем, а затем измерительный блок устройства вводится в контакт с наружной поверхностью, шероховатость которой не должна превышать Р_а 5 мкм. При этом призма 7 обеспечивает непреpывное ориентирование осей измерительных преобразователей по нормали к наружной поверхности вращающей- ся трубы, что позволяет, в частности, измерять с погрешностью от 1 до 3% радиальное биение внутренней поверхности и разностенность труб с наружным диаметром 80-350 мм и толщиной стенки 5-115 мм в диапазоне 0-10 мм. Например, при измерениях стальной трубы наружным диаметром 250 мм, средней толщиной стенки 65 мм, с разностенностью и радиальным биением наружной поверхности 10 мм погрешность измерений радиального биения внутренней поверхности не превышает 0,2 мм.

Устройство (фиг.3) работает следующим образом.

Ультразвуковой преобразователь 1 возбуждается от генератора 2 зондирующего импульса, который управляется синхронизатором 3. Отраженный от внутренней стенки трубы эхо-сигнал поступает на вход усилителя 4, а после усиления на вход компаратора 5, на выходе которого образуется импульс управления формирователем 6 измерительного импульса, стробируемым импульсом с синхронизатора 3. Измерительный импульс поступает на вход временного селектора 7, управляемого также синхронизатором 3 и обеспечивающего помехозащищенность формирователя 6. Формирователь 8 компенсирующего импульса предназначен для выработки сигнала, длительность которого пропорциональна среднему значению толщины стенки трубы. Измерительный импульс нормируется по напряжению преобразователем 9 масштаба, а компенсирующий импульс преобразователем 10 масштаба, после чего оба импульса поступают на вход интегратора-усилителя 11, обеспечивающего их сравнение и преобразование в постоянное напряжение. Индуктивный преобразователь 12, измеряющий перемещения ультразвукового преобразователя, возбуждается генератором 13. Сигнал отклонения центра профиля наружной поверхности от центра вращения сечения преобразуется в разнополярную форму фазочувствительным детектором 14 и поступает на вход операционного усилителя 15, выполняющего функцию масштабного. Сигналы с выходов обоих каналов поступают на вход блока 16 вычитания, обеспечивающего также хранение информации в случае исчезновения акустического контакта ультразвукового преобразователя с поверхностью трубы, а результат вычитания, соответствующий отклонению центра профиля внутренней поверхности от центра вращения сечения регистрируется стрелочным прибором 17. При измерениях разностенности или радиального биения наружной поверхности на вход блока вычитания подключается только один из измерительных каналов.

Использование: измерительная техника. Цель изобретения - обеспечение измерений радиальных биений внутренней и наружной поверхностей трубы, а также ее поперечной разностенности. Сущность способа: деталь вращают, ось измерений непрерывно ориентируют по нормали к наружной поверхности трубы, измеряют отклонение центра профиля наружной поверхности от центра вращения сечения и отклонение толщины стенки от среднего значения, осуществляют вычитание измеренных величин и по разности максимального и минимального значений результата вычитания судят о радиальном биении внутренней поверхности, а по разности максимальной и минимальной величин отклонения толщины стенки - о разностенности трубы. Сущность изобретения: устройство содержит два измерительных канала, блок вычитания и регистрирующий стрелочный прибор. Канал измерений отклонения толщины стенки состоит из пьезопреобразователя, генератора, синхронизатора, усилителя отраженного сигнала, компаратора, формирователя измерительного импульса, временного селектора, формирователя компенсирующего импульса, преобразователя масштаба измерительного импульса, преобразователя масштаба компенсирующего импульса и интегратора-усилителя. В корпусе измерительного блока установлен шарнирный подшипник, стакан и связанные с ним ультразвуковой и индуктивный измерительные преобразователи, имеющие возможность поворота в двух плоскостях. При измерениях измерительный блок устройства вводится в контакт с наружной поверхностью трубы, а призма обеспечивает непрерывное ориентирование осей измерительных преобразователей по нормали к наружности трубы. 2 с. п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ контроля размеров труб, включающий измерение в поперечном сечении вращающейся трубы отклонений наружной поверхности от центра вращения сечения и толщины стенки, отличающийся тем, что ориентируют непрерывно ось измерений по нормали к наружной поверхности трубы, измеряют отклонение центра профиля наружной поверхности от центра вращения сечения и отклонение толщины стенки от среднего значения, осуществляют вычитание измеренных величин и по разности максимального и минимального значений результата вычитания судят о радиальном биении внутренней поверхности трубы. 2. Устройство контроля размеров труб, содержащее установленные в механизме поддержки и контактирующие с трубой измерительные преобразователи ультразвукового толщиномера и линейных перемещений, связанные с ними входами два канала регистрации, подключенный к выходам каналов блок вычитания, а к выходу последнего - индикаторный прибор, отличающееся тем, что измерительные преобразователи толщиномера и линейных перемещений расположены с совпадением их осей измерений и объединены в систему, установленную в механизме поддержки на шарнирной подвеске с обеспечением непрерывного ориентирования оси измерений по нормали к наружной поверхности вращающейся трубы.