Устройство для контроля диаметров изделий Советский патент 1992 года по МПК G01B11/08 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике, а именно к устройствам для контроля диаметров изделий, и может быть применено на железнодорожном транспорте, метрополитенах, в машиностроении и других отраслях промышленности и является усовершенствованием устройства по авт. св. № 1010462 для контроля диаметров изделий.

Устройство содержит корпус с роликовыми опорами, подпружиненный измерительный стержень с закрепленным на нем светопроницаемым экраном и волоконно- оптическим преобразователем.С целью повышенияточностиконтроляволоконно-оптический преобразователь выполнен из регулярного ленточного волоконного световода, а его входной торец уложен

по кривой, уравнение которой в прямоугольной системе координат X и Y;

Y f(x) } Y(Uc)2K 2 - 1 dx,

Хо

где направление оси координат X совпадает с направлением перемещения подпружиненного измерительного стержня Dx (x-C)2-1;

x,, C-0,5D0 + 0,5 V(DO + d)2 - Ј , мм. где d и Ј - диаметр и расстояние между осями роликовых опор, мм;

С - размер, определяемый размерами корпуса, мм;

К - статический коэффициент преобразования устройства;

DO - наименьшее значение контролируемого диаметра, мм.

XI

4

4 Јь Ч

hO

Устройство имеет следующие недостат- ки.

С расширением диапазона изменения измеряемых диаметров увеличивается длина входного торца ленточного световода из- мерительного волоконно-оптического преобразователя и, следовательно, ширина экрана. Таким образом, размеры устройства в целом однозначно (при заданной точности измерений) зависят от диапазона измерений диаметров, увеличиваясь с увеличением этого диапазона.

G расширением диапазона изменения измеряемых диаметров для сохранения постоянной яркости (светимости) светового указателя на отсчетном блоке необходимо увеличение светового потока, создаваемого осветителем, следовательно, необходимо увеличение мощности источника излучения, усложнение и увеличение размеров оптической системы, обеспечивающей постоянную (заданную) освещенность входного торца волоконно-оптического преобразователя.

Увеличение мощности источника излучения, в свою очередь, требует при сохране- нии ресурса работы источника электрического питания увеличение размеров и веса этого источника.

Существенным недостатком устройства является очень неэффективное использование светового потока, создаваемого освети- телем в плоскости входного торца волоконно-оптического преобразователя. Эффективно используется только тот световой поток, который падает на входной торец волоконно-оптического преобразователя. Этот поток составляет очень малую часть (доли процента) общего светового потока, создаваемого осветителем, которая равна отношению площади входного торца преобразователя к площади экрана.

С расширением диапазона изменения измеряемых диаметров для сохранения неизменной погрешности измерения (точности контроля) при увеличении ширины экрана необходимо уменьшить возможные повороты (наклоны) экрана (верхней его кромки) в плоскости, перпендикулярной к направлению светового потока при перемещении экрана в процессе измерения. Это требует более точного изготовления самого экрана, измерительного стержня и направляющего устройства этого стержня.

Все указанные недостатки известного устройства для контроля диаметров определяется однозначной жесткой связью разме- ров волоконного преобразователя с диапазоном изменения измеряемых диаметров, причем с расширением этого диапазона увеличиваются размеры (длина) входного торца преобразователя, размеры экрана, повышаются требования к точности изготовления измерительного стержня и к его направляющим, должна быть увеличена мощность излучения осветителя и усложняется его оптическая система.

В изобретении разрывается указанная жесткая связь между расширением диапазона изменения измеряемых диаметров и размерами преобразователя и исключаются все перечисленные недостатки. Разрыв этой связи позволяет достичь уменьшения размеров преобразователя, экрана, снизить мощность излучения осветителя, снизить требования к точности изготовления деталей при одновременном расширении диапазона изменения измеряемых диаметров и при этом повысить точность контроля диаметров изделий.

Целью изобретения является повышение точности контроля и уменьшение габаритов устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве контроля диаметров изделий входной торец волоконно-оптического преобразователя перемещения, выполненного из регулярного ленточного световода, уложен по участкам, уравнение которых в прямоугольной системе координат X и Y для нечетных участков (1, 3, 5, 7,...):

Y(i) f(x)-(i-1) V- для четных участков (2, 4, 6, 8,...):

Y(i-H) -f(x) + 2Y0 + (i+1)V. где

у.. .. . ,

Y f(x) / V(Dx)2K2-l dx-кривая,

АО

по которой уложен входной торец волоконно-оптического преобразователя

D x (x-C)f-1;

x0 C-0,5D0 + 0,5 Y(D0 +d)2-l2 „ где d и I - диаметр и расстояние между осями роликовых опор, мм;

С - размер, определяемый размерами корпуса, мм;

К - статический коэффициент преобразования устройства;

Do - наименьшее значение контролируемого диаметра изделия, мм;

i 1,3,5,7,... - номер нечетного участка укладки входного торца волоконно-оптгче- ского преобразователя;

V Yi - Yo ... Yi+i - Yi const, MM, - заданная постоянная ширина зоны укладки всех отрезков (участков) входного торца волоконно-оптического преобразователя по (вдоль) оси Y;

Yi, Yi+1 - координаты точек по оси Y кривой Y f(x), определяющие координаты по оси X концов нечетных Х| и четных Xi+1 участков укладки входного торца волоконно-оптического преобразователя.

Нафиг.1 показан график построения линии укладки входного торца волоконно-оптического преобразователя; на фиг.2 - принципиальная схема устройства для контроля диаметров изделий; на фиг.З - график функции преобразования диаметров в перемещении измерительного стержня; на фиг.4 -светопроницаемыйэкран, шкала, входной и выходной торцы волоконно-оптического преобразователя.

На фиг.1 показана сущность изобрете-, ния - построение линии укладки выходного торца волоконно-оптического преобразователя, состоящей из отдельных четных и нечетных участков и уложенных в зону заданного размера по оси Y.

Y f(x) - уравнение кривой, по которой надо уложить входной торец волоконно-оптического преобразователя 10 для обеспечения контроля диаметров в диапазоне (D0, Dm). Эта кривая Y f(x) определяет значение координат Ym и Хт, длину входного торца волоконно-оптического преобразователя, соответствующую диапазону измерения (Do, Dm) контролируемого диаметра. Максимальные значения координат Хт и Ym определяют размеры светонепроницаемого экрана, который при D D0 должен закрывать весь входной торец волоконно-оптического преобразователя, т.е. иметь площадь Зэкр (УГП - Yo) (m - Х0). На этой площади осветитель должен создавать освещенность, обеспечивающую четкое видение границы раздела свет-тень на шкале прибора.

Пусть по конструктивным соображениям необходимо в п раз уменьшить площадь светонепроницаемого экрана, соответственно уменьшить мощность источника излучения осветителя и инструментальную погрешность измерения диаметра от случайных наклонов верхней кромки экрана при его перемещении в направляющих вследствие люфтов, отклонений от прямолинейности и др. причин, т.е. увеличить точность контроля диаметров при неизменном диапазоне перемещения измерительного стержня х0, хт (перемещение экрана).

Определяют ширину зоны по (вдоль) оси Y, в которой будут уложены все участки (отрезки) входного торца преобразователя

YC

После этого при заданном Y0 определяют Yi,Y2,...,Yi, Yi-м,... по формулам: V. Y2 Yo+2 # Yi Yo+i V Yi+1 Yo-Kl+1) V : Затем по вычисленным значениям YI, Y2,...,Y|, Yi+i,.,., используя данную зависимость Y f(x), определяют соответствующие значения Xi; X2; Хз;...; Xi; Xi+i; ..., т.е. определяют координаты по оси X концов нечетных (1, 3, 5,...) и четных (2, 4, 6,...) участков (отрезков) укладки входного торца волоконно-оптического преобразователя.

Из фиг.1 следует, что уравнения, определяющие укладку входного торца преобразователя на этих отрезках (участках): - на первом (нечетном) участке Y(i) f(x) при х0 ;

-на втором (четном) участке

Y(2) -fix) + Y2 + Yo - -t(x) + (Yo+2 V5 + Yo -f(x) + 2Y0 + 2 i/J при Xi x X2 ; - на третьем (нечетном участке) Y(3) f(x) - 2 ip при Х2 х хз;

-на четвертом (четном) участке

Y(4) -f(x) + Y4 + Yo -f(x) + Yo + 4 t/я- Yo -f(x) + 2Y0 + 4 ty при Хз x X4 ; в общем виде эти уравнения имеют вид: для нечетных участков

Y(,} f(x)-(i-1) для четных участков

Y(i+i) -f(x)+2Y0 + (i+1)V.

где i 1; 3; 5; ....т.е. принимает значения из ряда целых нечетных чисел (номера нечетных участков).

Укладка входного торца волоконно-оптического преобразователя по указанным

кривым на нечетных участках и на четных участках сохраняет неизменной его длину и, следовательно, градуировку отсчетной шкалы. При этом указанная укладка входного торца преобразователя в п раз сокращает

размер экрана вдоль (по) оси Y, его площадь и вес.

Так как для работы устройства надо со- здавать требуемую освещенность от осветителя только в зоне укладки входного торца

преобразователя, т.е. в зоне tp, площадь которой в п раз меньше площади зоны укладки входного торца известного преобразователя, то уменьшается мощность источника излучения, упрощается оптичеекая система осветителя, размеры и вес источника электрического питания. В п раз эффективно увеличивается используемая часть светового потока осветителя, т.к. в п раз отношение площади входного торца

преобразователя к площади зоны, в которой он уложен.

Построение участков, по которым укладывается входной торец волоконно-оптического преобразователя в зоне тр, согласно изобретению можно осуществить также графоаналитическим способом в следующей последовательности:

- по исходным данным на ЦВМ рассчитывают:

(x) LV(Dx)2K2-1 dx-кривую

АО

укладки входного торца основного изобретения;

-строят эту кривую в осях координат X и Y со строгим соблюдением масштаба (см. фиг.1);

-по заданному размеру зоны t/, в которой хотят расположить все участки входного торца преобразователя, определяют значения:

YI Yo + V- Yo + 2 t/, Уз Yo + 3 и т.д.

и наносят эти значения (точки) на ось Y (см. фиг.1);

-через точки Yi, Yz, Y3 и т.д. проводят прямые, параллельные оси X и находят точки пересечения этих прямых с кривой Y

f(x);

-проектируют эти точки пересечения на ось X и определяют координаты XL X2, Хз, Х4 и т.д. начала и концов участков (отрезков), на которых должны укладываться отрезки входного торца волоконно-оптического преобразователя по соответствующим кривым;

-строят кривые укладки входного торца преобразователя на нечетных xo, х2,хз и т.д. и четных xi, хз,х4 и т.д. участках путем смещения (параллельного переноса) соответствующего отрезка кривой Y f(x) в зону :

для нечётных участков с расположением начал этих отрезков кривой Y f(x) в точках с координатами Х0, Y0; Х2, Y0; Х4, Y0 и т.д. Эти отрезки кривой Y f(x) обозначены на фиг.1 Y(i), Y(3), Y(i) и т.д.;

для четных участков - путем построения функции Y -f(x) и помещения (смещения) начал отрезков этой кривой в точки с координатами XL Yi; Хз, Yi; X|, Yi и т.д. Эти отрезки кривых обозначены на фиг.1 Yp); Y(4); Y(l).

Вполне достаточную точность построения кривой для укладки входного торца преобразователя в зоне получают путем указанного построения в большом масштабе с последующим уменьшением его до требуемых размеров.

На фиг.1 приведено также пояснение причины уменьшения погрешности измерения диаметра при выполнении укладки входного торца волоконно-оптического преобразователя в зоне 1J), т.е. согласно изобретению. Пусть верхняя кромка светонепроницаемого экрана, представленная прямой ab, перпендикулярная направлению перемещения экрана (перпендикулярна оси X) и пересекает линию укладки выходного торца преобразователя в точке 1. При этом показания прибора, по его шкале определяются длиной засвеченной части входного торца преобразователя, лежащей

между точками 4 и 1. При наклоне верхней кромки экрана на угол а вследствие, например, неточности изготовления направляющих или отклонения от прямолинейности измерительного стержня,

люфта или других причин появляется погрешность, определяемая длиной отрезка входного торца преобразователя между точками 1 и 3. Точка 3 определяется пересечением линии укладки входного торца

преобразователя и прямой aai, представляющей положение верхней кромки экрана устройства при наклоне экрана на угол ее. При уменьшении ширины экрана в п раз при том же угле наклона экрана погрешность определяется длиной отрезка входного торца между точками 1 и 2. Точка 2 определяется пересечением прямой bbi и линией укладки входного торца преобразователя. Точки а и b лежат в середине верхних сторон (кромок)

экрана.

Из построений на фиг.1 видно, что погрешность известного устройства примерно в п раз больше, чему предлагаемого, так как длина отрезка входного торца преобразователя между точками 1 и 3 примерно в п раз больше аналогичной длины между точками 1 и 2. Уменьшение погрешности измерений относительно известного устройства приводит к повышению точности контроля диаметров этим устройством.

Устройство для контроля диаметров изделий содержит корпус 1 (фиг.2) с роликовыми опорами 2,устанавливаемыми при контроле на цилиндрическое изделие 3,

подпружиненный пружиной 4 и установленный в корпусе 1 подвижный измерительный стержень 5 со светонепроницаемым экраном 6, осветитель 7 с источником 8 электро- питания и кнопкой 9 включения,

во/.оконно-оптический преобразователь 10, выполненный в виде регулярного гибкого ленточного волоконного световода, отсчет- ный блок 1 со шкалой 12 отсчета и ДВУМЯ пленочными светофильтрами 13. Измерительный стержень 5 снабжен стопорным механизмом, образованным рычагом 14 с пружиной 15. Два пленочных светофильтра 13, например, зеленого и красного цветов зажаты между выходным торцом 16 волоконно-оптического преобразователя 10 и шкалой 12 отсчета. Светонепроницаемый экран 6 жестко закреплен на измерительном стержне 5, расположен между осветителем 7 и входным торцом 17 волоконно-оптического преобразователя 10 и установлен параллельно торцу 17.

Преобразование контролируемого диаметра DX изделия 3 в перемещение X светонепроницаемого экрана 6 производится корпусом 1 с двумя роликовыми опорами 2 и измерительным стержнем 5. Указанное перемещение является нелинейной функцией контролируемого диаметра (фиг.З) и определяется формулой

X С - 0,5Dx + 0,5 V(DX + d)2 - I2 , где Dx - диаметр измеряемого изделия;

I - расстояние между осями роликовых опор 2;

d - диаметр роликовых опор 2;

С - размер, определяемый размерами корпуса 1.

Дальнейшее преобразование перемещения X измерительного стержня 5 в координату Y (фиг.4) крайней точки границы 18 раздела, освещенной световым потоком 19 и затемненной светонепроницаемым экраном 6 частей входного торца 17 волоконно- оптического преобразователя 10 (границы раздела свет-тень), производится стороной 20 светонепроницаемого экрана 6. Сторона 2 устанавливается перпендикулярно направлению перемещения измерительного стержня 5.

Волоконно-оптический преобразователь 10 выполнен из регулярного ленточного волоконного световода, а его входной торец уложен по участкам, уравнение в которых в прямоугольной системе координат Хи Y: для нечетных участков (1; 3; 5:...)

Y(o f(x) (i-i)v;

для четных участков (2; 4; 6;...) Y(i+i) -f(x) + 2Yo + (l+1) #

где Y f(x) L V(D X)2K2-1 dx;

АО

ось X совпадает с направлением перемеще- ния подпружиненного измерительного стержня:

Dx (x-C)2-1.

Xo C-0,5D0 + 0,5 V(DO -f- d)2 - I2 , мм,

где d и I - диаметр и расстояние между осями роликовых опор, мм;

С - размер, определяемый размерами корпуса, мм;

К - статический коэффициент преобразования устройства;

Do - наименьшее значение контролируемого диаметра изделия, мм;

,3, 5,... - номера нечетных участков

укладки входного торца волоконно-оптического преобразователя;

ip YI - Yo ... Yi+1 - YI - ширина зоны (по оси Y) укладки отрезков (участков) вход0 ного торца волоконно-оптического преобразователя, мм.

Указанная укладка входного торца 17 волоконно-оптического преобразователя 10 обеспечивает линейную зависимость между

5 перемещением границы 18 раздела свет- тень (фиг.4) на входном торце 17 и диаметром DX контролируемого изделия (перемещением Z на фиг.4). Расчет числовых значений Y f(x) по заданным исходным

0 данным (К, С, Х0, I) производится на ЦВМ.

Передача (трансформация) изображения (координат) границы 18 в изображение (координаты) границы 21 раздела свет- тень на выходном торце 16 производится

5 волоконно-оптическим преобразователем 10, выполненным в виде регулярного ленточного волоконного световода. Размер D входного 17 и выходного 16 торцов волоконно-оптического преобразователя 10 уста0 навливается много меньше размера Ь, т.е. (реально размер а может быть выбран из диапазона 0,005-0,1 мм), а размер b определяется точностью контроля диаметров изделий и необходимой длины шкалы 12

5 отсчета (это десятки миллиметров). Выходной торец 16 волоконно-оптического преобразователя 10 расположен рядом с отметками 22 шкалы 12 отсчетного блока 11, которым приписываются значения Do,

0 D2,...,Dm диаметра Dx. При этом перемещение границы 21 -указателя отсчетного блока 11 - превышает изменение диаметра Dx в k раз.

Для представления результатов изме5 рения и контроля диаметра Dx предназначен отсчетный блок 11, состоящий из двух светофильтров 13 и шкалы 12 отсчета. Эта шкала выполнена на непрозрачной накладке, с внутренней стороны которой нанесены

0 прозрачные отметки 22 и цифры 23 (на фиг.З отметки и цифры шкалы, а также светящаяся часть выходного торца 16 волоконно-оптического преобразователя 10 показаны в негативе).

5 Цифры и отметки шкалы освещаются световым потоком 24. Число делений (отметок) шкалы определяется диапазоном изменения диаметров изделий и точностью их контроля. Оцифровка отметок шкалы осуществляется в соответствии со значениями D0,

DiDm диаметра Dx, а также с учетом удобства считывания результатов измерения диаметра Dx. Зажатые между шкалой 12 отсчета и выходным торцом 6 волоконно-оптического преобразователя 10 пленочные светофильтры 13, например, зеленого и красного цветов используются для облегчения контроля диаметров изделий 3 без считывания показаний со счетного блока 11 (по принципу, например, зеленый цвет границы 21 раздела свет-тень на выходном торце 16 - контролируемый диаметр Dx в норме, красный - контролируемый диаметр превышает норму).

Граница светофильтров 13 может быть установлена между любыми точками шкалы 12 отсчета и определяется нормами контролируемых значений диаметра изделий. Использование не двуцветных, а многоцветных пленочных светофильтров 13 позволяет обеспечить цветовую сигнализацию не только указанных градаций качества (норма или не норма), но и нахождение размера, например, в различных полях допусков.

Генерирование световых потоков 19 и 24, падающих на входной торец волоконно- оптического преобразователя 10 и шкалу 12 отсчетного блока 11, осуществляется осветителем 7, представленным источником излучения в видимой части спектра, например лампой накаливания.

Светящаяся поверхность (тело накала) источника излучения (наиболее удобна прямолинейная нить накала) расположена над экраном на прямой, параллельной продольной оси экрана, проходящей через точку Ь, параллельно оси X (фиг.1).

Устройство работает следующим образом.

После установки роликовых опор 2 на контролируемое изделие 3 и нажатия рычага 14 стопорного механизма измерительный стержень 5 со светонепроницаемым экраном б упирается в поверхность изделия 8. При отпускании рычага 14 измерительный стержень 5 с экраном 6 занимает фиксированное положение относительно корпуса 1 и входного торца 17 волоконно-оптического преобразователя 10. Замыканием электрической цепи световые потоки 19 и 24, генерируемые осветителем 7, посылаются на светонепроницаемый экран 6, на участок входного торца 17 волоконно-оптического преобразователя 10, не закрытого экраном 6, и на шкалу 12 отсчетного блока 11, подсвечивая ее штрихи и цифры. Световой поток 19, падающий на незакрытый экраном 6 участок входного торца 17 волоконно-оптического преобразователя 10,анализируется волоконными световодами к выходному торцу 1 б и образует световой поток на выходе волоконно-оптического преобразователя

10. Положение указателя отсчетного блока 11 - границы 21 раздела свет-тень на выходном торце 16 волоконно-оптического преобразователя 10 - определяет величину измеряемого диаметра.

Использование светофильтров, наложенных на выходной торец волоконно-оптического преобразователя, и стопорного механизма дополнительно обеспечивает устройству осуществление предельного контроля диаметров изделий без считывания результатов измерений на отсчетном блоке, что повышает производительность выполнения контрольно-измерительных операций и снижается вероятность субъективных

ошибок считывания измерительной информации, а также проведение считывания результатов измерения и контроля диаметров при снятии устройства с контролируемого изделия, что улучшает условия выполнения

контрольно-измерительных операций (облегчает условия труда),

Укладка (установка) входного торца 17 волоконно-оптического преобразователя 10, выполненного из регулярного ленточного световода по участкам, придает предлагаемому устройству следующие положительные свойства:

-повышает точность контроля диаметров изделий путем уменьшения погрешности измерения от случайных наклонов светонепроницаемого экрана при его перемещении в процессе измерения;

-уменьшаются размеры волоконно-оптического преобразователя, вес и размеры

светонепроницаемого экрана, размеры,вес и мощность осветителя и устройства в целом за счет уменьшения зоны, в которой размещается входной торец волоконно-оптического преобразователя.

Формула изобретения

Устройство для контроля диаметров изделий по авт. св. № 1010462, отличаю щ- ее ятем, что, с целью повышения точности контроля диаметров изделий и уменьшения габаритов устройства, входной торец волоконно-оптического преобразователя уложен по участкам, уравнение которых в прямоугольной системе координат X и Y для нечетных участков (1, 3, 5 ...):

Yi f(x)-(i-1)V, для четных участков (2, 4, 6 ...):

(x) + 2Y0 + (i+1) V.

где Y - f(x) / V(DJOfa 2 1 dx криваЯ1

X0

по которой укладывается входной торец волоконно-оптического преобразователя: Dx (x-C)f-1;

х0 С - 0,5D0 + 0,5 V(DO + d)2 -12 ,; где d и I - соответственно диаметр и расстояние между осями роликовых опор, мм;

С - размер, определяемый размерами корпуса, мм;

К - статический коэффициент преобразования устройства;

0

Do - наименьшее значение контролируемого диаметра изделия, мм;

i 1, 3, 5, ... - номер нечетного участка укладки входного торца волоконно-оптического преобразователя;

YI - Yo ... YI+I - Yi const, мм - заданная ширина зоны вдоль оси Y укладки участков входного торца преобразователя;

YI и YI-M - координаты точек кривой Y f(x), определяющие координаты по оси X концов нечетных Xi и четных Xi+i участков укладки входного торца волоконно-оптического преобразователя.

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности контроля диаметров изделий и уменьшение габаритов. Входной торец волоконно-оптического преобразователя уложен по участкам, заданным уравнениями в зоне фиксированного размера. Уравнения кривых укладки в системе координат X и Y для нечетных и для четных участков указаны в формуле описания. Такая укладка сохраняет неизменной его длину, обеспечивает линейную зависимость между перемещением границы раздела свет-тело на входном торце и диаметром контролируемого изделия, а расчет числовых значений производится на ЦВМ. 4 ил.

У /t & Уз У

Фаг. i

%

15

1744447

16

л/Ь

A I i ( JJ /

Фиг.2

Фж.З

0Ьг. У