КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА Российский патент 2005 года по МПК G01B11/08 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения отклонений от прямолинейности оси и износа канала длиннотельных изделий (ствольной трубы), а также для оперативного осмотра и измерения дефектов внутренней поверхности длиннотельных изделий (ствольных труб).

Контрольно-измерительная система может быть также использована в автомобилестроении - для обнаружения дефектов пустотелых деталей, при осмотре коробки передач, глушителя и т.д.; в авиации - для контроля степени износа сопел, турбинных лопаток, поршней и т.д.; в нефтяной и газовой промышленности - для определения износа нефте- и газопроводов; в атомной и строительных промышленностях.

Известна система RiB - 2000 фирмы "KAPPA" opto-elektronics GmbH (1) для осмотра внутренней поверхности канала ствола, содержащая две видеокамеры для фронтального и бокового осмотра поверхности, сменные кольца для базирования прибора в каналах различных диаметров стволов, монитор с масштабной сеткой для измерения величины дефектов. Прибор перемещается внутри канала ствола вручную с помощью штанги. Для измерения пройденного расстояния внутри канала прибор оснащен датчиком измерения пройденного расстояния.

Недостатком данного прибора является отсутствие возможности измерения отклонения от прямолинейности оси и износа канала ствола (ствольной трубы).

Известна система "Челнок-1" и "Челнок-2" (2) телевизионного контроля внутренней поверхности труб Научно-Исследовательского Института Промышленного Телевидения, г.Великий Новгород, которая применяется для обнаружения трещин, раковин, коррозии, посторонних предметов, содержащая две телевизионные камеры типа КТП-256 для фронтального и бокового осмотра внутренних поверхностей труб, центрирующее устройство, блок питания БП-479, пульт управления ПО- 17, устройство перемещения и измерения глубины - УИГ-1, кабель магистральный, катушку кабельную. Система “Челнок-2” взята за прототип.

Недостатком данного устройства также является отсутствие возможности измерения износа канала трубы (измерение изменения диаметра канала трубы) и непрямолинейности оси канала ствольной трубы.

Кроме осмотра и измерения дефектов внутренних поверхностей длиннотельных изделий заявляемое изобретение решает задачу измерения непрямолинейности оси канала длиннотельного изделия (ствольной трубы), измерения износа канала (ствольной трубы), т.е. измерения изменения диаметра трубы, повышения точности измерения и оперативности осмотра.

Измерение непрямолинейности оси канала длиннотельного изделия (ствольной трубы), измерения износа канала (ствольной трубы), повышение точности измерения и оперативности осмотра канала (ствольной трубы) достигается тем, что в контрольно-измерительную систему, содержащую каретку-датчик, телевизионную камеру с интегральной схемой с поверхностно-зарядовой связью (ПЗС матрицу), электронно-вычислительную машину (ЭВМ) с монитором, дополнительно введены переходник, блок оптический, причем блок оптический содержит систему зеркал и телевизионную камеру с интегральной схемой с поверхностно-зарядовой связью (ПЗС матрицу), а в каретку-датчик дополнительно введена измерительная головка, которая установлена в передней секции каретки-датчика и содержит основание в виде диска, причем переходник содержит четыре светодиода и сопрягается с казенником изделия конусом и раздвижными упорами, которыми жестко фиксируется переходник в казеннике, блок оптический жестко сопрягается с переходником конусными поверхностями, на основании измерительной головки в виде диска выфрезерованы шесть прямоугольных выступов, расположенных через 60° по окружности, представляющих собой неподвижные колки, а по средней линии каждого из прямоугольных выступов, расположенных через 60° по окружности и представляющих собой неподвижные колки, на одинаковом расстоянии друг от друга расположены три отверстия со светодиодами, на основании измерительной головки в виде диска между прямоугольными выступами закреплены шесть подпружиненных подвижных колков и по средней линии каждого из шести подпружиненных подвижных колков расположены на одинаковом расстоянии друг от друга три отверстия со светодиодами, подпружиненные подвижные колки выполнены в виде прямоугольных брусков, подвешенных на двух рычагах Н-образной формы, и перемещаются строго паралельно самим себе без люфта в одном направлении от центра каретки-датчика к переферии в опорах-винтах, выполненных в форме иглы, один конец каждого из подпружиненных подвижных колков выполнен в виде полусферической головки с твердосплавной пластиной, выступающей за корпус каретки, при вставлении каретки-датчика в канал трубы изделия светодиоды прямоугольных выступов и подпружиненных подвижных колков образуют три концентрические окружности с центром на оптической оси ствольной трубы.

На фиг.1 показано расположение основных узлов контрольно-измерительной системы и измеряемого изделия (ствольной трубы с казенником изделия), где обозначено:

1 - ствольная труба;

2 - подвижная каретка-датчик;

3 - переходник;

4 - казенник изделия;

5 - блок оптический;

6 - электронно-вычислительная машина (ЭВМ);

7 - монитор.

На фиг.2, 3 показана конструкция подвижной каретки-датчика, где обозначено:

8 - секция передняя;

9 - секция средняя;

10 - секция задняя;

11 - головка для осмотра ствольной трубы;

12 - измерительная головка;

13 - колеса опорные передней секции;

14 - колесо прижимное;

15 - колесо ходовое;

16 - колесо прижимное;

17 - электропривод;

18 - датчик перемещения;

19 - мерное колесо;

На фиг.4, 5 показана конструкция измерительной головки каретки-датчика, где обозначено:

20 - основание;

21 - рычаги подвижных колков Н-образной формы;

22 - колки подвижные;

23 - светодиоды подвижных колков;

24 - полусферическая головка;

25 - пластина твердосплавная;

26 - колки неподвижные;

27 - светодиоды неподвижных колков.

На фиг.6 показана конструкция подвижного колка, где обозначено:

21 - рычаг подвижного колка Н-образной формы;

22 - колок подвижный:

28 - игольчатая опора подвижного колка.

На фиг.7 показана схема расположения светящихся меток (светодиодов) измерительной головки каретки-датчика и меток переходника на экране монитора, где обозначены:

29, 30, 31 - светящиеся метки измерительной головки каретки-датчика;

32 - метки переходника;

33 - окружность, мысленно проведенная касательно к светящимся меткам переходника.

На фиг.8 показана конструкция оптического блока, где обозначено:

34 - корпус блока;

35 - платформа;

36 - 1-ое регулировочное зеркало;

37 - 2-ое регулировочное зеркало;

38 - зеркало;

39 - телевизионная камера с ПЗС-матрицей;

40 - 1-я ручка;

41 - 2-я ручка;

42 - конус;

На фиг.9 показана конструкция переходника с разжимными рычагами, где обозначено:

43 - разжимные рычаги;

44 - конус переходника;

45 - светодиоды переходника.

Контрольно-измерительная система, которая помещается в измеряемое изделие (ствольную трубу) (1) с казенником изделия (4), включает в себя подвижную каретку-датчик (2), переходник (3), блок оптический (5), электронно-вычислительную машину (ЭВМ) (6), монитор (7).

На фиг.2, 3 показана конструкция подвижной каретки-датчика (2), которая представляет собой оптико-электронный узел цилиндрической формы, состоящий из трех секций (8, 9, 10). В передней части секции (8) расположена головка (11) для осмотра внутренней поверхности ствольной трубы (канала длиннотельного изделия). В задней части секции (8) закреплена измерительная головка (12).

В средней секции (9) каретки-датчика (2) расположены электропривод (17) с ходовым колесом (15), датчик перемещения (18) с мерным колесом (19) и колесо прижимное (16).

В задней секции (10) каретки-датчика (2) расположен печатный узел для управления подвижной кареткой-датчиком. Для того чтобы каретка-датчик могла перемещаться по каналу изделия, в передней секции размещены два опорных колеса (13) и одно прижимное колесо (14), расположенные под углом 120° друг к другу. В средней секции (9) роль опорных колес выполняют ходовое колесо (15) электропривода (17) и мерное колесо (19) датчика перемещения (18). Прижимное колесо (16) находится в верхней части средней секции (9) и на одной линии с прижимным колесом (14) передней секции (8). Подвижная каретка-датчик (2) вставляется в ствольную трубу (1) изделия таким образом, чтобы опорные колеса (13, 15, 19) оказались внизу ствольной трубы (1) изделия, а прижимные колеса (14, 16) - вверху канала изделия.

На фиг.(4, 5) показана конструкция измерительной головки.

Конструкция головки представляет собой основание (20) в виде круга определенного диаметра с выфрезерованными шестью прямоугольными выступами, представляющими неподвижные колки (26), расположенными через 60° по окружности, и в каждом выступе по средней линии на равном расстоянии друг от друга просверлены три отверстия, в которых закреплены светодиоды (27). Между этими выступами на рычагах (21) закреплены шесть подвижных подпружиненных колков (22), в которых по средней линии также имеется три отверстия со светодиодами (23), расположенными на одинаковом расстоянии друг от друга.

Конструкция подвижного колка (22) представляет собой прямоугольный брусок, заканчивающийся полусферической головкой (24), в которой закреплена твердосплавная пластинка (25). Сам колок (22) подвешен на двух подпружиненных рычагах (21) Н-образной формы на винтах-опорах (28). Винты-опоры (28) позволяют получить безлюфтовую пару. Колки (22) имеют одну степень свободы и могут перемещаться от центра каретки-датчика (2) к переферии. Полусферические головки (24) колков (22) позволяют плавно вставить каретку-датчик (2) в ствольную трубу (1) изделия и контактировать с внутренней поверхностью ствольной трубы (1) изделия с оптимальным усилием.

Конструкция блока оптического (БОП) (5) содержит литой алюминиевый корпус (34), внутри которого на платформе (35) расположены 1-ое и 2-ое регулировочные зеркала (36, 37) и одно зеркало (38) для изменения направления изображения на телевизионную камеру (39).

1-ой и 2-ой ручками регулировки (40, 41) можно изменять угол между плоскостью зеркал (36, 37) и горизонтальной осью в пределах ±5°. Изменение угла производится в двух взаимно перпендикулярных плоскостях последовательным вращением ручек регулировки (40, 41).

Регулировочные зеркала (36, 37) крепятся на платформе (35) с противоположной стороны от телевизионной камеры (39).

Стыковка БОП (5) с переходником (3) осуществляется через конус соединительный (42), что позволяет получить жесткое и разъемное соединение оптического блока с переходником (3). В свою очередь, переходник (3) жестко соединен конусной поверхностью (44) с конусной частью казенника (4) и раздвижными опорами (43), упирающимися во внутреннюю поверхность канала казенника (4), что позволяет жестко фиксировать координаты ПЗС-матрицы, которые являются начальной точкой отсчета при вычислениях.

После установки основных узлов системы, как это показано на фиг.1, проводится предварительная настройка системы. На экране монитора (7) мы должны получить картину, изображенную на фиг 7. Четыре светящиеся метки (32) переходника должны находиться по углам экрана монитора, а внутри них в центре экрана - три концентрические окружности меток (29, 30, 31) измерительной каретки-датчика. Это достигается с помощью ручек (40, 41) оптического блока (5) за счет изменения углов системы зеркал (36, 37). При перемещении подвижной каретки-датчика вдоль измеряемого объекта может быть измерено смещение изображений светящихся меток (29, 30, 31) измерительной головки, и это смещение может служить мерой отклонения от оптической оси системы (мерой непрямолинейности участка ствольной трубы).

Таким образом, началом отсчета служит оптическая ось системы, которая может быть зафиксирована путем жесткого соединения системы с измеряемым объектом.

Для автоматизированного съема координат изображений меток (29, 30, 31) измерительной головки каретки-датчика используется телевизионная камера с ПЗС матрицей (39). Изображение, принятое телевизионной камерой (39), поступает в цифровом виде в управляющую ЭВМ (6). ЭВМ (6) проводит анализ полученного изображения, идентифицирует изображения меток (29, 30, 31) измерительной головки каретки-датчика (2) и определяет их координаты в системе координат, связанной с ПЗС матрицей.

ЭВМ обрабатывает массивы значений координат меток с целью получения смещений каретки-датчика вдоль горизонтальной и вертикальной осей, диаметров сечения изделия и расстояния до каретки-датчика (2) (то есть до измеряемого сечения). Обработка информации по всему набору измеренных координат завершается выдачей результатов на монитор (7) ЭВМ и печатающее устройство. Оператор может использовать монитор (7) ЭВМ для контроля качества телевизионного изображения.

При телевизионном контроле для осмотра внутренней поверхности ствольной трубы (1) изделия используется головка (11).

Для проведения операции измерений износа ствольной трубы (1) изделия головка для осмотра (11) снимается. Перед началом операции измерения износа ствольной трубы (1) изделия, каретка-датчик (2) помещается в специально изготовленный калибр с диаметром, номинал которого равен диаметру изделия, изготовленного с заданной точностью ±2 мкм. Светящиеся метки измерительной головки в калибре принимают определенное положение и используются в процессе вычислений. ЭВМ вычисляет их координаты относительно центра оптической оси контрольно-измерительной системы и запоминает. Затем каретку-датчик (2) вставляют в ствольную трубу (1) изделия и подвижные подпружиненные колки (22) измерительной головки (12) вступают в контакт с внутренней поверхностью ствольной трубы (1) изделия. ЭВМ (6) вычисляет координаты светящихся меток измерительной головки (12) и среднеквадратическую погрешность износа диаметра изделия.

Контрольно-измерительная система допускает проведение телевизионного контроля внутренней поверхности ствольной трубы (1) изделия, измерения отклонений от прямолинейности оси изделия и измерения внутреннего диаметра изделия в двух плоскостях - вертикальной и горизонтальной. Величина отклонения от прямолинейности оси изделия в измеряемых сечениях определяется как расстояние от центра масс профиля сечения ствольной трубы (1) изделия в крайних измеряемых сечениях. Координаты центра масс профиля сечения ствольной трубы (1) определяются на основе измерений проекций диаметров сечений в пересекающихся плоскостях, повернутых на равные углы.

Среднеквадратическая погрешность измерения отклонений от прямолинейности не выходит за пределы ±0,01 мм.

Внутренний диаметр изделия в вертикальной и горизонтальной плоскостях в измеряемых сечениях определяется длиной вертикального (горизонтального) отрезка, проходящего через центр масс профиля сечения ствольной трубы (1) и апроксимирующим профиль сечения ствольной трубы (1) эллипсом. Диапазон измерений отклонений диаметра изделия в вертикальной и горизонтальной плоскостях относительно номинального значения не менее +3,5 мм.

Среднеквадратическая погрешность измерения отклонения диаметра изделия не выходит за пределы ±0,01 мм.

Погрешность установки перпендикулярности плоскостей, в которых проводятся измерения, не выходит за пределы ±0,5.

Измерения производятся в секущих плоскостях, перпендикулярных оптической оси ствольной трубы (1) изделия, шаг измерений и координаты измеряемых точек определяются программой.

Библиографические данные

1. Проспект "Система RIB-2000" фирмы "KAPPA" opto-electronics Gmb.

2. Проспект "Система Челнок" телевизионного контроля внутренних поверхностей труб. НИИ Промышленного телевидения, г. Великий Новгород.

Изобретение относится к области приборостроения, в частности, к технике измерения дефектов трубопроводов. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата в систему введены переходник, содержащий четыре светодиода и сопрягающийся с казенником изделия конусом и разжимными рычагами, оптический блок, содержащий систему зеркал, телевизионную камеру и измерительную головку, входящую в каретку-датчик. Причем каретку-датчик располагают в ствольной трубе изделия таким образом, что светодиоды образуют три концентрические окружности с центром на оптической оси ствольной трубы. 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Контрольно-измерительная система, содержащая каретку-датчик, телевизионную камеру с интегральной схемой с поверхностно-зарядовой связью (ПЗС матрицу), электронно-вычислительную машину с монитором, отличающаяся тем, что в систему введены переходник, содержащий четыре светодиода и сопрягающийся с казенником изделия конусом и разжимными рычагами, которые жестко фиксируют переходник в казеннике; блок оптический, содержащий систему зеркал, соединенный с телевизионной камерой, имеющей интегральную схему с поверхностно-зарядовой связью (ПЗС матрицу), и жестко сопрягающийся с переходником конусными поверхностями; измерительную головку, входящую в каретку-датчик, с основанием в виде диска и расположенными на нем подпружиненными подвижными и неподвижными колками со светодиодами, причем каретка-датчик расположена в ствольной трубе изделия таким образом, что светодиоды неподвижных и подпружиненных подвижных колков образуют три концентрические окружности с центром на оптической оси ствольной трубы.2. Контрольно-измерительная система по п.1, отличающаяся тем, что неподвижные колки представляют собой шесть прямоугольных выступов, выфрезерованных на основании измерительной головки в виде диска и расположенных через 60° по окружности.3. Контрольно-измерительная система по п.2, отличающаяся тем, что по средней линии каждого из прямоугольных выступов, расположенных через 60° по окружности и представляющих собой неподвижные колки, на одинаковом расстоянии друг от друга расположены три светодиода.4. Контрольно-измерительная система по п.1, отличающаяся тем, что по средней линии каждого из шести подпружиненных подвижных колков расположены на одинаковом расстоянии друг от друга три светодиода.5. Контрольно-измерительная система по п.1, отличающаяся тем, что подпружиненные подвижные колки выполнены в виде прямоугольных брусков, подвешенных на двух рычагах Н-образной формы, и перемещаются строго параллельно самим себе без люфта в одном направлении от центра каретки-датчика к периферии в опорах-винтах, выполненных в форме иглы.6. Контрольно-измерительная система по п.1, отличающаяся тем, что один конец каждого из подпружиненных подвижных колков выполнен в виде полусферической головки с твердосплавной пластиной, выступающей за корпус каретки.