ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИАМЕТРОВ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ДЕТАЛЕЙ Российский патент 2002 года по МПК G01B21/10 

Изобретение относится к оптическим устройствам для измерения и контроля крупногабаритных базовых деталей в области химического и нефтяного машиностроения - обечаек, которые изготавливаются методом гибки на валковых листогибочных машинах из листового материала.

Известна система бесконтактного измерения диаметров цилиндрических объектов, сканируемых пучком света в плоскости, перпендикулярной оси объекта, согласно которой диаметр определяют по углу перекрытия пучка света объектом и расстоянию от оси поворота пучка до точек касания пучком изделия (А.С. 911156, М.кл. G 01 В 19/21, 1982).

Недостатком данной системы является наличие контрольного устройства, требующего сложной настройки на заданный размер из-за нелинейной зависимости между диаметром изделия и углом перекрытия, что приводит к значительным погрешностям измерений и не обеспечивает отсчет результата измерений диаметра в линейных единицах, что в свою очередь приводит к необходимости выполнения дополнительных вычислительных операций.

Наиболее близким по технической сущности является оптическое устройство для измерения диаметров крупногабаритных деталей, содержащее оптико-механический блок задания размера, состоящий из конуса, установленного перпендикулярно оптической оси с возможностью осевого перемещения, с использованием рычагов одинаковой длины, установленных на общей оси и касающихся поверхности конуса, и преобразователь положения кромки детали (Патент РФ 2054624, М.кл. G 01 В 21/00, 1996).

Недостатком данного устройства является его ограниченные функциональные возможности, а именно: положение центра конуса не связано с положением центра обечайки, который в процессе вращения ее в валках листогибочной машины меняет свое положение, что не обеспечивает необходимой точности измерения, а следовательно, ограничивает область применения устройства.

Данное устройство имеет низкий технический уровень, обусловленный кинематической схемой задания оптической оси преобразователя, и поэтому в процессе измерения диаметра изделия с бесцентровым вращением возникает погрешность, которая может достигать значительной величины при измерении изделий неправильной геометрической формы.

В этой связи важнейшей задачей является создание нового оптического устройства с линейным заданием размера, основанного на использовании кинематической схемы оптико-механического блока задания размера, учитывающей изменения положения центра детали номинального размера и правильной формы, позволяющей создавать принципиально новый оптико-механический блок задания размера, в котором при однокоординатном перемещении конуса одновременно осуществляется установка преобразователя положения кромки детали на заданный диаметр с учетом изменения координаты центра детали.

Техническим результатом заявленного устройства является создание новой кинематической схемы установки на заданный размер, что позволяет повысить точность и оперативность измерения крупногабаритных деталей. Данная задача особенно актуальна при контроле нагретых изделий, так как время технологического процесса гибки или правки ограничено из-за остывания детали и поэтому повышение точности и быстродействия позволяет исключить брак и повысить качество продукции.

Указанный технический результат достигается тем, что оптическое устройство для измерения диаметров крупногабаритных деталей, содержащее оптико-механический блок задания размера, состоящий из установленного с возможностью осевого перемещения конуса, рычага, первой пружины, обеспечивающей контакт свободного конца рычага с поверхностью конуса, и преобразователь положения кромки детали, снабжено конусом оптико-механического блока задания размера с винтовым механизмом перемещения, свободно установленным на центрирующем упоре, закрепленном в плоскости измерения на подвижном основании оптико-механического блока задания размера, и жестко соединенным с подвижным штоком, установленным в вертикальной направляющей втулке подвижного основания оптико-механического блока задания размера и связанным с подвижным основанием с помощью второй пружины, обеспечивающей контакт конуса с центрирующим упором, на подвижном основании оптико-механического блока задания размера закреплен механизм относительного вертикального перемещения оси поворота рычага с преобразователем положения кромки детали, а подвижное основание оптико-механического блока задания размера установлено, с возможностью перемещения, в вертикальных неподвижных направляющих с устройствами фиксации и отсчета величины перемещения.

Создание нового оптического устройства для измерения диаметров крупногабаритных деталей, использующего принцип подобия схемы базирования крупногабаритных деталей и кинематической схемы задающего устройства, позволяет, используя однокоординатное перемещение с помощью винтовой передачи конуса, осуществить перемещение измерительного преобразователя по сложной функциональной зависимости, что, в свою очередь, значительно упрощает операцию предварительной настройки устройства на заданный номинальный размер, так как перемещение винтовой передачи конуса оптико-механического блока задания размера связано линейной зависимостью с номинальным размером детали. Кроме того, использование линейной зависимости упрощает технологию градуировки устройства при его изготовлении и повышает точность установки измерительного преобразователя на заданный размер.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного решения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существеннным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого решения по совокупности признаков позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение для специалиста не следует из известного уровня техники.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлено предлагаемое устройство.

Оптическое устройство для измерения диаметров крупногабаритных деталей содержит оптико-механический блок задания размера, состоящий из конуса 1, свободно установленного на центрирующем упоре 2 и жестко соединенного с винтовым механизмом 3. Конус 1 с винтовым механизмом 3 обеспечивают линейное преобразование осевого перемещения S конуса 1 в диаметр D его сечения в плоскости центрирующего упора 2 (фиг.1, 2).

Оптико-механический блок задания размера снабжен штоком 4, установленным в вертикальной направляющей втулке 5 подвижного основания 6 оптико-механического блока задания размера. С штоком 4 жестко соединен винтовой механизм 3 конуса 1. Нижний конец штока 4 связан с подвижным основанием 6 с помощью второй пружины 7, обеспечивающей контакт конуса 1 с центрирующим упором 2.

На подвижном основании 6 закреплен механизм относительного вертикального перемещения, состоящий из винтового механизма 8, направляющего штока 9 и подвижной каретки 10, вертикальное перемещение которой по штоку 9 осуществляется с помощью винтового механизма 8.

На каретке 10 закреплена ось поворота рычага 11, подпружиненного первой пружиной 12 относительно подвижного основания 6, на свободном конце которого установлен объектив 13, входной торец световода 14, а напротив выходного торца световода установлена шкала 15 с линейными делениями (фиг. 3).

Подвижное основание 6 установлено в вертикальных направляющих 16 с устройствами отсчета и фиксации, позволяющими устанавливать подвижное основание 6 на заданную высоту Н, при которой погрешность измерения от колебания обечайки с заданным диаметром изделия - D в валках минимальна.

Для настройки устройства на заданный размер листогибочная машина имеет оптическую метку А1, расположенную на линии, которая является базовой при измерении диаметров. Оптическая метка А2 расположена на линии контакта конуса 1 с центрирующим упором 2, а метка A3 - на оси поворота рычага 11.

Работает устройство следующим образом.

Перед измерением деталей в заданном диапазоне подвижное основание 6 устанавливается по известной зависимости от отношения высоты Н к среднему диаметру партии изделий - D_cp на высоту Н, при которой погрешность измерения минимальна. Для выполнения принципа подобия в схеме измерения база измерения - неподвижная образующая обечайки, соответствующая оптической метке А1, нижняя точка окружности конуса, соответствующая оптической метке А2, и ось поворота рычага 11 должны находиться на одной прямой, а с помощью винтового механизма 8 осуществляется перемещение центра рычага 11 до совмещения оптических меток. Контроль может осуществляться оптическим методом, а также с помощью рейки или шнура. Для удобства контроля указанные точки могут иметь оптические метки в виде штифтов (фиг.1, 2).

Далее осуществляется установка конуса 1 на заданный номинальный размер. С помощью винтового механизма 3 конуса 1 устанавливается радиус сечения конуса 1 в плоскости центрирующего упора 2 таким образом, чтобы ось детали O₁, ось конуса О₂ и ось рычага А₃ находились на одной прямой. В этом случае треугольники А₃А₂О₂ и А₃А₁О₁ будут подобны. Из подобия треугольников следует соотношение:
R_k/R=L₂/L₁,
т.е. заданный радиус определяется как
R=R_k•L₁/L₂ (1),
где R - радиус детали;
R_k - радиус сечения конуса;
L₁ - расстояние от оси поворота рычага А₃ до плоскости расположения оси детали O₁ правильной формы;
L₂ - расстояние от оси поворота рычага А₃ до плоскости расположения оси конуса О₂.

В свою очередь R_k связано с величиной осевого перемещения конуса 1 -S следующим уравнением:
R_k= R_min+S•tgψ (2),
где R_min - радиус малого основания конуса 1;
S - величина осевого перемещения от малого основания конуса 1 до сечения в плоскости рычага 11;
ψ - угол конуса 1.

Заданный радиус может быть определен из уравнений (1) и (2):

Цена деления винтового механизма 3 конуса 1 определяется параметрами: величиной осевого перемещения - S и расстоянием от оси поворота рычага А₃ до плоскости расположения оси конуса О₂-L₂.

Одновременно с перемещением конуса 1 осуществляется поворот рычага 11. В точке касания К₂ радиус конуса перпендикулярен к рычагу. Расстояние от виртуального центра детали до оптической оси преобразователя положения кромки детали определяется из подобия треугольников А₃А₂K₂ и А₃О₁K₁:
О₁K₁=R (4).

Таким образом угол установки рычага 11 совпадает с касательной к окружности обечайки номинального размера, т.е. осуществляется установка изделия на номинальный диаметр.

При выполнении измерений, в процессе вращения детали, ее край проецируется объективом 13 на входной торец световода 14 и его изображение передается на выходной торец. Отклонение размера изделия от номинального определяется по линейной шкале отклонения диаметров 15 (фиг. 3). При номинальном диаметре изделия наблюдается положение его кромки на нулевой отметке шкалы отклонения диаметров 15. Цена деления шкалы отклонения диаметров 14 определяется коэффициентом передачи объектива 13.

При внедрении заявленного оптического устройства для измерения диаметров крупногабаритных деталей повышается технологическая точность производства основных базовых деталей химнефтеаппаратуры - обечаек, следовательно, повышается производительность труда при сборке химнефтеаппаратуры, так как уменьшается время, необходимое для индивидуальной подгонки обечаек при их сборке. Кроме того, при повышении точности изготовления улучшаются эксплуатационные характеристики химнефтеаппаратуры.

Таким образом, вышеизложенное свидетельствует о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности:
- оптическое устройство для измерения диаметров крупногабаритных деталей, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в высокотемпературных технологических процессах;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления в соответствии с описанием и прилагаемыми чертежами;
- оптическое устройство для измерения диаметров крупногабаритных деталей, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость".

Изобретение относится к оптическим устройствам для измерения и контроля, а именно к устройствам для измерения геометрических параметров нагретых изделий, и может быть использовано при производстве обечаек. Техническим результатом является создание нового оптико-механического блока задания размера, в котором при однокоординатном перемещении конуса одновременно осуществляется установка преобразователя положения кромки детали на заданный диаметр с учетом изменения координаты центра детали. Новым в устройстве является то, что конус оптико-механического блока задания размера с винтовым механизмом перемещения свободно установлен на центрирующем упоре. Упор закреплен в плоскости измерения на подвижном основании блока задания размера и жестко соединен с подвижным штоком, установленным в вертикальной направляющей втулке подвижного основания блока задания размера и связанным с подвижным основанием с помощью второй пружины, обеспечивающей контакт конуса с центрирующим упором. На подвижном основании блока задания размера закреплен механизм относительного вертикального перемещения оси поворота рычага с преобразователем положения кромки детали. Подвижное основание блока задания размера установлено, с возможностью перемещения, в вертикальных неподвижных направляющих с устройствами фиксации и отсчета величины перемещения. 3 ил.

Оптическое устройство для измерения диаметров крупногабаритных деталей, содержащее оптико-механический блок задания размера, состоящий из установленного с возможностью осевого перемещения конуса, рычага, первой пружины, обеспечивающей контакт свободного конца рычага с поверхностью конуса, и преобразователь положения кромки детали, отличающееся тем, что конус оптико-механического блока задания размера с винтовым механизмом перемещения свободно установлен на центрирующем упоре, закрепленном в плоскости измерения на подвижном основании оптико-механического блока задания размера, и жестко соединен с подвижным штоком, установленным в вертикальной направляющей втулке подвижного основания оптико-механического блока задания размера и связанным с подвижным основанием с помощью второй пружины, обеспечивающей контакт конуса с центрирующим упором, на подвижном основании оптико-механического блока задания размера закреплен механизм относительного вертикального перемещения оси поворота рычага с преобразователем положения кромки детали, а подвижное основание оптико-механического блока задания размера установлено, с возможностью перемещения, в вертикальных неподвижных направляющих с устройствами фиксации и отсчета величины перемещения.