CC BY
108
СИЛОВЫЕ ПЕРЕДАЧИ, ДАТЧИКИ И ДВИГАТЕЛИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
УДК 621.833
З. Домбек, д-р техн. наук, проф. +48 (52) 340-82-70, dzwm@utp.edu.pl (Польша, Быдгощ, Технологическо-природоведческий университет - иТР), Е.В. Шалобаев, канд. техн. наук, проф., тел. +7-921-988-00-86, shalobaev47 @таЛ. ги (Россия, Санкт-Петербург, Национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики)
К ВОПРОСУ О МЕТОДАХ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КРУПНОМОДУЛЬНЫХ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
Представлен инженерный метод измерения параметров зубчатого колеса при помощи видеосъемки и численного преобразования картины с применением компьютеров класса РС. Суть метода состоит в том, что полученное изображение сравнивают с изображением, вычисленным по компьютерной программе. Повторяя процесс во времени, получают данные о влиянии износа.
Ключевые слова: инженерный метод, видеоизмерение геометрических параметров колес, крупномодульные передачи.
Введение
Измерение зубчатых колес является сложным техническим процессом и требует специального оборудования [1]. Трудности возрастают с увеличением диаметра и модуля, что особенно заметно при изготовлении колес модулем 32...40 мм и наружным диаметром 4...6 м. Такие крупногабаритные колеса производят на заводе горного оборудования в г. Быдгощ (Польша) [2]. В последние годы крупногабаритные колеса стали
применять в мобильных фотоэлектрических установках, преобразующих концентрическую солнечную энергию в электричество [3]. В трубопроводной арматуре также применяют крупномодульные передачи.
Стандарты России, нормирующие параметры точности колес и передач, двойственны в отношении объекта стандартизации [4-6], что вызывает потребность в создании отраслевых стандартов, например, в авиационной промышленности (ОСТ 1.41667-89 и ОСТ 1.41671-91), судовом приборостроении (ОСТ 5.8686-84) [7]. При этом в авиационной промышленности введен такой параметр как прерывистая кинематическая погрешность, который отсутствует в других отраслевых стандартах [8]. Такой общеизвестный параметр как длина общей нормали лишается смысла при использовании колес, имеющих разные углы зацепления при реверсе, который необходим в мехатронных объектах [9]. Все вышеуказанное свидетельствует о наличии серьезных проблем в области контроля колес вообще, и крупногабаритных в частности [10-14]. После вхождения России во Всемирную торговую организацию в августе 2012 г потребуется уже вплотную заняться вопросами «гармонизации» национальных и международных стандартов, что один из авторов предлагал уже с декабря 1990 г [5,15,16], и это возможно было сделать, приняв в качестве национального — международный стандарт ISO. Последнее было выполнено в Украине еще в 2008 г.
В начале 1990-х годов в Лаборатории технической метрологии Аграрно-технической академии (г Быдгощ) были произведены измерения зубчатых колес сначала методом фотографирования, а затем методом видеосъемки с численным преобразованием полученной картины (при использовании компьютеров самых массовых серий) так, чтобы можно было сравнивать теоретический профиль зуба с действительным. Подобное направление работ лежит в общем русле тенденций развития контроля зубчатых колес [1,2,4,8,1014]. В Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики имелись давние традиции по созданию приборов для контроля зубчатых передач, о чем говорят следующие работы [17,18].
С конца 1990-х годов специалисты двух вузов в рамках договора о сотрудничестве стали вести совместные исследования в области точности зубчатых передач и ее контроля. Указанной работе способствует и разработанный в те же годы международный транслятор терминов в области зубчатых передач, выдержавший к настоящему времени несколько изданий
[19].
В рассматриваемом случае был разработан и реализован подход к измерению толщины зубьев (предусмотрено расширение программы для измерения других параметров). Измерялись цилиндрические прямозубые зубчатые колеса с внешним зацеплением.
Метод измерения
Ввиду того, что крупногабаритное колесо трудно доставить в лабораторию, измерения производят по принципу on line, т.е. видеосъемка происходит в месте установки колеса, а преобразование картины - на компьютере в лаборатории. Хотя подобный порядок действий увеличивает время, но значительно облегчает реализацию измерения, а также дает возможность архивизации съемок для последующих сравнений. В ближайшее время эта проблема будет решена, т.к. возможности быстрой передачи изображения с места контроля в лабораторию постоянно растут и совершенствуются.
Измерительный стенд состоит из видеокамеры CCD, компьютера класса PC с увеличенным оперативным и дисковым запоминающим устройством, осветительного оборудования.
Метод измерения состоит в том, что теоретический профиль образца сравнивается с действительным (рисунок).
.................1..............................; у: ; ; ; ; ; ; :; :* ; ; ; ; ; ; ; '
Совмещенные (наложенные) профили: а - теоретический; б - действительный
Съемка делается с торца колеса. Это является недостатком метода, т.к. ограничивает исследование прямозубыми колесами. Кроме этого имеется ограничение по точности колес - не выше нормальной, т.е. 8-й степени точности относительно базовой оси. В работе [2] среди ограничений на применение рассматриваемого метода указано то, что линзы видеокамер вносят нелинейные искажения, которые могут быть учтены использованием алгоритма нелинейной оптимизации, усложняющей решение задачи и в свою очередь дают недостаточную точность. Правда, в последнее время появился ряд работ [20,21], позволяющих повысить качество получаемых изображений при помощи их математической обработки.
Перед выполнением измерения необходимо иметь исходные данные о модуле, числе зубьев, коэффициенте высоты зубьев, коэффициенте коррекции (смещения исходного контура), номинальном угле профиля.
На основании указанных данных компьютерная программа вычисляет теоретический профиль двух соседних зубьев. Точки этого профиля запоминаются в форме матрицы а профиль изображается на
мониторе.
Сфотографированный профиль тоже состоит из двух зубьев. Вычисленный профиль представлен в бинарной форме, исключая точки с яркостью больше пороговой. Потом точки профиля запоминаются как матрица действительного профиля |Д].
Важным вопросом является выбор измерительной базы, т.е. точки (либо точек), относительно которой сравняются профили.
Предусматриваем две возможные измерительные базы:
- наружный диаметр,
- диаметр делительной окружности.
Применение наружного диаметра как измерительной базы соответствует традиционному измерению штангозубомером или таким же микрометром относительного измерения толщины зубьев. В этом случае сравнивают профили, накладывая друг на друга так, чтобы наиболее отдаленные точки были совместными и симметричными. Преимущество этого варианта заключается в том, что не нужно строить искусственный образец для определения базы. Недостатком является необходимость точного исполнения размера (наружного диаметра), а также неизбежное влияние погрешности формы (некруглости) и погрешности положения (биения) на результат измерения. В случае этого варианта нет необходимости фотографирования одновременно двух зубьев. Можно фотографировать их поочередно и также поочередно накладывать на профиль образца.
Вариант сопоставления с диаметром делительной окружности требует определения базы на измеряемом колесе. Это можно сделать, помещая образец длины (могут быть использованы концевые меры) и шарики (для получения точки) на измеряемую деталь. Указанная операция выполняется только раз для первого зуба. Практически это не сложно, потому что всегда можно найти некую искусственную базу так, чтобы образец не достигал оси колеса. В этом случае совместными точками будет взаимное совмещение по диаметрам двух профилей (теоретического и сфотографированного), а измерительной базой служит точка пересечения диаметра делительной окружности и образца с контуром профиля с левой стороны.
Проводя очередную съемку, получаем очередные матрицы координат точек профиля очередных зубьев. При этом точки первого зуба на п-й съемке соответствуют точкам второго зуба на предыдущей съемке. Это дает возможность перенесения измерительной базы на очередные съемки, сравнивая те части матриц, в которых точки профиля первого зуба на съемке п-й и конгруэнтного на съемке (п-1)-й - совместные. Таким образом, можно избежать возникновения погрешности выполнения наружного диаметра, однако возникают погрешности, связанные с образцом.
Указанный метод измерения является экспериментальным, его широкое промышленное внедрение в странах авторов публикации еще отсутствует. На сегодняшний день можно измерить толщину зуба на произвольной высоте, получить график и таблицу отклонений. Среди очевидных преимуществ метода - его дешевизна и большая производительность. Метод позволяет определять величину износа контактирующих поверхностей и дать заключение о работоспособности зубчатой передачи.
Измерение толщины зубьев является только первой частью программы комплексного измерения зубчатых колес на основе рассмотренного метода. Проведена подготовка к измерению погрешностей шагов, эвольвенты, радиального биения на любом диаметре [22].
В настоящее время программа расширяется для измерения зубчатого колеса произвольного профиля, а также других видов зубчатых колес.
Заключение
Долгие годы контроль крупномодульных зубчатых передач производился вручную при помощи накладных штангозубомеров. Замеры необходимо было проводить регулярно несколько раз в год, поэтому любые действия по автоматизации измерений рассматриваемых колес позволяют резко снизить трудоемкость измерений, а так же гарантировать их непрерывность. Задача, решаемая в работе на примере шахтоподъемных механизмов, вполне подходит и для аналогичных передач в трубопроводной арматуре.
Список литературы
1. Тайц Б.А., Марков Н.Н., Копф И.А. Допуски и контроль цилиндрических зубчатых передач // Производство зубчатых колес / под ред. Б.А.Тайца. М.: Машиностроение, 1990. С.154-191.
2. D^bek Z., Kruszewski Т. Pomiar grubosci zеba metoda wideofilmowania i cyfrowego przetwarzania obrazu. 18 Miedzynarodowe Sympozjum Naukowe. Informatyka. Zielona Gora, kwiecien 1996.
3. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. Л.: Наука, 1989. 309 с.
4. Обеспечение качества и контроль зубчатых колес/ Ю.С.Елисеев [и др.] // Производство зубчатых колес газотурбинных двигателей. М.: Высшая школа, 2001. С.283-338.
5. Тимофеев Б.П., Шалобаев Е.В. Состояние и перспективы развития нормирования зубчатых колес и передач // Вестник машиностроения. 1990. №12. С.34-37.
6. Тимофеев Б.П., Шалобаев Е.В. Расчет точности зубчатых передач и цепей // Пластмассовые зубчатые колеса в механизмах приборов. СПб;
Гомель: ИММС НАН Б, 1998. С.296-345.
7. Шалобаев Е.В. / Технология производства и методы обеспечения качества зубчатых колес и передач / под ред. В.Е.Старжинского и М.М.Кане. Минск: Технопринт, 2007. С.31-55.
8. ОСТ5 8686-84. Колеса зубчатые и червячные, червяки. Показатели точности зубчатого венца. Допуски. // В.А. Куцоконь, Б.Н. Зуев, К.И. Гуляев, Е.В. Шалобаев, Б.П. Тимофеев, И.М. Егоров и др.
9. Oleksiuk W. Profile angle differentiation - a particular feature of smallmodule involute teeth employed in mechatronic equipment // Gearing and Transmissions. 1995. №2. P. 12-25.
10. Robinson M.J., Oaklei J.P., Gunnigham M.J. The accuracy of image analysis methods in spur gear metrology // Division of Electrical Engineering, Manchester School of Engineering, University of Manchester, M13 9PL, UK; received 12 December 1994, in final from 22 March 1995, accepted for publication 30 March 1995.
11. Домбек З., Крушевски Т., Шалобаев Е.В. Проблемы измерения параметров крупномодульных зубчатых колес и метод видеосъемки // Контроль. Диагностика. 2004. № 12. С. 21-23.
12. Контроль зубчатых колес и передач / С. Симеонов [и др.] // Пластмассовые зубчатые колеса в передачах точного приборостроения. Минск:Наука и техника, 1993. С.174-190.
13. Антонюк В.Е. Методы и средства контроля зубчатых колес и передач // Технология производства и методы обеспечения качества зубчатых колес и передач / под ред. В.Е.Старжинского и М.М.Кане. Минск: Технопринт, 2007. С.31-55.
14. Шалобаев Е.В., Антонюк В.Е., Тимофеев Б.П. Точность и контроль зубчатых передач // Элементы привода приборов / под ред. Ю.М.Плескачевского. Минск: Беларуская навука, 2012. С.472-564.
15. Шалобаев Е.В. Проблемы «гармонизации» отечественных стандартов с системой международных и национальных стандартов // Материалы Всероссийской конференции с международным участием: Теория и практика зубчатых передач. Ижевск: ИжГТУ, 2004. С.44-48.
16. Шалобаев Е.В., Арнаудов К.Б. К методике расчета параметров точности зубчатых колес и передач по действующей нормативной документации // Известия ТулГУ. 2011. Т.2. Вып.5. С.126-132.
17. Оптико-механический кинематомер с экранным отсчетом / Ф.Л. Литвин [и др.] // Расчет и конструирование механизмов и деталей приборов / под ред. Ф.Л.Литвина. Л.: Машиностроение, 1975. С. 175-180.
18. Экспериментальные методы определения точности механизмов, моментов трогания и движущих моментов. Литвин Ф.Л. [и др.]. // Проектирование механизмов и деталей приборов / под ред. Ф.Л.Литвина. Л.: Машиностроение, 1973. С. 93-173.
19. Словарь-справочник по зубчатым передачам: русско-англо-немецко-французский / под ред. В.Е.Старжинского. Гомель: ИММС НАН Б, 2012. 220с.
20. Сизиков В.С. Математические методы обработки результатов измерений. СПб.: Политехника, 2001. 249с.
21. Петров Ю.П., Сизиков В.С. Корректные, некорректные
и промежуточные задачи с приложениями. СПб.: Политехника, 2003. 261с.
22. Шалобаев Е.В. Методика расчета допусков зубчатых передач // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2002. №2. С. 32-34.
Z. Dambek, E.V. Shalobaev
TO THE QUESTION ON METHODS OF MEASUREMENT OF PARAMETERS LARGELY MODULAR GEARINGS
The engineering method of measurement of parameters of a cogwheel by means of a video shooting and numerical transformation of a picture with application of computers of class РС is presented. The method essence consists that compare the received image to the image calculated under the computer program. Repeating process in time, obtain the data about deterioration influence.
Key words: an engineering method, video measurement geometrical parameters of wheels, largely modular transfers.
Получено 3.12.12
УДК 621.941
B.М. Медунецкий, д-р техн. наук, проф., +7-965-762-50-51; vm57med@yandex.ru (Россия, СПб, Национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики),
Е.В. Шалобаев, канд. техн. наук, проф.,. +7-921-988-00-86; shalobaev47@mail.ru (Россия, СПб, Национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики),
C.С. Резников, канд. техн. наук, доц., +7-906-248-72-10; stanich@mail.ru (Россия, СПб, Национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики),
В.Е. Старжинский, д-р техн. наук, проф., +3-75-297-31-51-15,
star mpri@mail.ru (Беларусь, г. Гомель, Институт металлополимерных систем
им. В.А.Белого НАН Б)
УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ, КРИТЕРИИ КАЧЕСТВА И МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ МЕЛКОМОДУЛЬНЫХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ
Изложены условия эксплуатации, сформулированы критерии качества, указаны методы повышения качества мелкомодульных зубчатых передач.
Ключевые слова: мелкомодульные зубчатые передачи, повышение надежности и работоспособности.
В современной промышленности широко используют мелкомодульные (m < 1 мм) комбинированные зубчатые передачи, венцы которых выполнены из металлов и их сплавов. При проектировании,
