Сравнительный анализ схем измерения линейных размеров в пневмоэлектронных средствах контроля Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

© А.А. Плешаков, 2016

УДК 681.5.08

А.А. Плешаков

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СХЕМ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ РАЗМЕРОВ В ПНЕВМОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВАХ КОНТРОЛЯ

Изложена сущность схем измерения линейных размеров с применением прямого и интегрального типов временного преобразования измерительного сигнала в пневмоэлектронных средствах контроля. Отражены результаты аналитического исследования чувствительности предложенных схем.

Ключевые слова: измерение линейных размеров, измерение диаметра, пневматическое устройство, временное преобразование.

Введение

Наиболее распространенная технология изготовления бурового породоразрушающего инструмента, вооруженного твердосплавными зубками с цилиндрическим хвостовиком, в том числе буровых коронок типа КНШ, предполагает запрессовку зубков в отверстия в корпусе инструмента. При этом для обеспечения рациональной величины натяга применяют метод групповой взаимозаменяемости. Зубки и отверстия измеряют и сортируют на селективные группы по величине диаметра. На ряде предприятий, изготавливающих буровые коронки типа КНШ, количество таких измерений достигает трех тысяч в смену. Это обусловливает актуальность разработки автоматических контрольно-сортировочных устройств.

Для измерения зубков в цеховых условиях целесообразно использовать устройства, в основе работы которых лежит пневматический принцип измерения, так как пневматические средства измерения нечувствительны к электромагнитным полям, к вибрациям и ударным воздействиям.

Групповой допуск на диаметр хвостовика твердосплавного зубка составляет, как правило, 5 мкм. Для измерения деталей с таким групповым допуском целесообразно использовать средства измерений, допустимая погрешность измерения которых не превышает величины группового допуска, то есть составляет 0,5 мкм.

Схемы измерения линейных размеров с применением прямого и интегрального типов временного преобразования измерительного сигнала

Прямой тип временного преобразования

Известна схема (рис. 1) измерения линейных размеров с применением временного преобразования измерительного сигнала прямого типа [1, 2, 3], посредством которой осуществляется преобразование размера контролируемой детали в величину временного интервала опустошения пневматической камеры.

Измерение осуществляется следующим образом. Деталь 1 поступает на измерительную позицию. Между поверхностью детали 1 и торцом измерительного сопла 2 образуется измерительный зазор х, величина которого зависит от размера детали. Первичное преобразование величины х в величину ризм измерительного давления осуществляется посредством первичного преобразователя, состоящего из входного 3 и измерительного 2 сопл и измерительной камеры между ними. Сжатый воздух рабочего давления рр поступает в измерительную камеру от источника через стабилизатор и входное сопло 3 и истекает в атмосферу через измерительный зазор. Между величиной рик давления в измерительной камере и величиной х измеритель-

Рис. 1. Схема измерения линейных размеров с применением временного преобразования измерительного сигнала прямого типа: 1 — деталь, 2 — измерительное сопло, 3 — входное сопло, 4 — преобразователь давления, 5 — электропневматический распределитель, 6 — блок управления, 7 — дроссель, 8 — дифференцирующий элемент, 9 — таймер, 10 — компаратор

р

Ршт

Р и р.....

ного зазора существует зависимость рик = f(s), обусловленная тем, что величина s влияет на величину пневматического сопротивления выходного дросселя (измерительное сопло/измерительный зазор) и, следовательно, на величину G расхода воздуха.

Измерительная камера соединена с рабочей камерой преобразователя давления 4 посредством электропневматического распределителя 5. Величина рф давления в камере преобразователя давления 4 преобразуется в величину и(?) напряжения на выходе преобразователя. После поступления детали 1 на измерительную позицию р = р = р и и = и .

г ^ 1 1 ик 1 изм изм

Блок управления 6 подает сигнал ипуск пуска устройства на распределитель 5, переключая его в позицию, при которой камера преобразователя давления 4 изолируется от измерительной камеры и соединяется с атмосферой посредством дросселя/с постоянной величи-

"......и ной / площади выходного

сечения. Сжатый воздух начинает истекать в атмосферу из камеры преобразователя давления, величина р(1) давления в ней начинает уменьшаться от ризм до величины р атмосферного

1 атм т г

давления, а величина и(() — от и до и .

изм атм

Электропневматический распределитель 5 переключается между позициями за некоторое время Величина I зависит от многих факторов и является случайной. Поскольку для измерения осуществляет преобразование величины р

изм

во временной интервал t ,

изм

величина t, определяющая запаздывание фактического переключения распределителя 5 от подачи блоком управления 6 пускового сигнала, является источником

.В

- 1, с

ИПа

\

\

Ь»_

0 („м Г. с

В

0 1..... !. С

в

О /,„

г. с

Рис. 2. Диаграмма процесса измерения с применением временного преобразования измерительного сигнала прямого типа

погрешности. Для компенсации этой схема оснащена дифференцирующим элементом 8 [4], который по скорости изменения сигнала и(?) определяет момент действительного переключения распределителя 6 и подает сигнал ид на таймер 9, который начинает отсчет времени.

Когда величина р(?) уменьшается до порогового значения рп, срабатывает компаратор 10, сравнивающий величину и(?) с заранее заданной величиной ип, соответствующей величине рп. Компаратор подает сигнал ик остановки таймера 9.

Величина ?изм временного интервала, измеренная посредством таймера 9, функционально связана с величиной х измерительного зазора и позволяет оценить диаметральный размер детали 1 на измерительной позиции.

На рис. 2 представлена временная диаграмма процесса измерения по схеме с применением временного преобразования измерительного сигнала прямого типа.

Временное преобразование интегрального типа

Нами предложено [5] для повышения чувствительности измерения использовать в качестве информативного параметра величину: Гизм = | , где р(?) — функция изменения вели-

чины давления воздуха в камере преобразователя 4.

На рис. 3 представлена схема измерения линейных размеров с применением временного преобразования измерительного сигнала интегрального типа, дополнительно оснащенная интегрирующим 9 и запоминающим 10 элементами.

Измерение осуществляется аналогично предыдущей схеме, однако, дифференцирующий элемент 8 после фактического переключения распределителя 5 подает сигнал ид на интегрирующий элемент 9, который начинает интегрировать сигнал и(?) по времени. На выходе интегрирующего элемента 9 появляется нарастающий сигнал иинт(?), который поступает на запоминающий элемент 10. Когда величина р(?) уменьшается до порогового значения рп, компаратор 11 подает сигнал ик на запоминающий элемент 10, в память которого заносится значение и , величина которого пропорциональна величине F ,

изм изм

функционально связанной с величиной х измерительного зазора и позволяющей оценить размер детали 1 на измерительной позиции.

На рис. 4 представлена временная диаграмма процесса измерения по схеме с применением временного преобразования измерительного сигнала интегрального типа.

Рис. 3. Схема измерения линейных размеров с применением временного преобразования измерительного сигнала интегрального типа: 1 — деталь, 2 — измерительное сопло, 3 — входное сопло, 4 — преобразователь давления, 5 — электропневматический распределитель, 6 — блок управления, 7 — дроссель, 8 — дифференцирующий элемент, 9 — интегрирующий элемент, 10 — запоминающий элемент, 11 — компаратор

Сравнительный анализ чувствительности предложенных схем

Оценим чувствительность рассмотренных схем измерения. Согласно [6], зависимость ризм = f(s) может быть описана уравнением:

I р I атм

Ризм = . . г У2 2 / + Ратм > (1)

1 + 16а225 / а;

где d1 — диаметр входного сопла; d2 — диаметр измерительного сопла.

Изменение величины p(t) в процессе опустошения камеры преобразователя давления 4 объемом V при условии постоянства температуры T в камере и во внешней среде описывается уравнением [7]: у ар

кТлг= (2)

где Я — удельная газовая постоянная для сухого воздуха. Величину расхода G определяем из выражения:

О = ратмР, (3)

V Я V Т

где в — коэффициент расхода воздуха, g — ускорение свободного падения.

в

р, МПа

& Р«ч

В

1К. в

В

I. с

с

о I. С

Рис. 4. Диаграмма процесса измерения с применением временного преобразования измерительного сигнала интегрального типа

1

Согласно [8], коэффициент расхода воздуха в = , , где ^ — коэффициент сопротивления. V1 + ^

Подставляя выражение (3) в (1), получаем уравнение изменения давления:

^ = аЫР - Ратм > (4)

где а = - 2Я9ТРатм .

Тогда решая уравнение (4), получаем выражение: pit) = 4 a1 f2t2 + aftjp^ - pamM + pU3M,

где t — время, прошедшее с момента включения таймера дифференцирующим элементом.

Величину tmш определяем, решая уравнение (5) относительно t при условии,ичто р(0 = р :

t=

2 (^~РызМ ~Рашм ) af

(6)

Подставляя в выражение (6) зависимость (1) получаем статическую характеристику twш = f(s) схемы измерения с прямым временным преобразованием линейного размера.

Интегрируя выражение (5) от t = 0 до t = t , получаем :

F'=" - a ftU3M + n aNpU3M pamM tU3M + pU3MtU.

(7)

12 ™ 2

С учетом выражения (7) и зависимостей (1) и (6) получаем статическую характеристику измерения по схеме интегрального временного преобразования.

Для сравнения рассмотренных схем измерения вычислим их относительную чувствительность. Для измерения по схеме прямого временного преобразования эту величину определим как:

S =

1 dt„

Ь ¿5

Для измерения по схеме интегрального временного преобразования величину относительной чувствительности определим как:

0,6 и,8 л, им

Рис. 5. График отношения S /St относительных чувствительностей SF и S| схем измерения линейных размеров с применением временного преобразования измерительного сигнала прямого и интегрального типов

SF =

1 dF,=

F-

ds

График отношения SF относительных чувствитель-ностей рассматриваемых схем измерения приведен на рис. 5.

Заключение

Из рис. 5 видно, что чувствительность SF измерения по схеме с применением временного преобразования интегрального типа выше чувствительности St измерения по схеме с применением временного преобразования прямого типа выше на всем диапазоне измерения, что свидетельствует о перспективности применения схемы измерения с применением временного преобразования интегрального типа. Предварительные испытания [9], проведенные с использованием лабораторного образца измерительного устройства, реализующего рассмотренные схемы, показали, что устройство позволяет обеспечить измерение с предельно допустимой погрешностью, не превышающей мкм. Это обусловливает целесообразность использования предложенных для измерения диаметров твердосплавных зубков буровых коронок типа КНШ с целью последующей их сортировки в селективные группы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Стефанюк Р.Ю., Сутин А.И. А. с. 1019239 СССР, G01B13/00, Пневматическое устройство для контроля и сортировки деталей по линейным размерам. Волгоградский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт. — опубл. 23.05.83, Бюл. № 19.

2. Кристаль М.Г., Плешаков А.А., Стефанюк Р.Ю., Кулагин Р.Н. Патент 128315 Российская Федерация, МПК G01B13/00. Пневматическое устройство для контроля и сортировки деталей по линейным размерам, заявитель и патентообладатель ВолгГТУ. — опубл. 20.05.13, Бюл. № 14.

3. Кристаль М.Г., Гольцов А.С., Плешаков А.А. и др. Устройство для контроля размеров сопрягаемых поверхностей при сборке коронок для перфораторного бурения // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2013. - № 3 - С. 3-5.

4. Плешаков А.А., Кристаль М.Г., Горелова А.Ю. Патент 139662 Российская Федерация, МПК G01B13/00. Пневматическое устройство для контроля и сортировки деталей по линейным размерам, заявитель и патентообладатель ВолгГТУ. - опубл. 20.04.14, Бюл. № 11.

5. Плешаков А.А., Горелова А.Ю., Кристаль М.Г., Кулагин Р.Н. Патент 148813 Российская Федерация, МПК G01B13/00. Пневмоэлектронное устройство для контроля и сортировки деталей по линейным размерам, заявитель и патентообладатель ВолгГТУ. - опубл. 20.12.14, Бюл. № 35.

6. Высоцкий А.В., Курочкин А.П. Пневматические средства измерений линейных величин в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1979. - 206 с.

7. Залманзон Л.А. Аэрогидродинамические методы измерения входных параметров автоматических систем. - М.: Наука, 1973. - 464 с.

8. Залманзон Л.А. Проточные элементы пневматических приборов контроля и управления. — М.: Издательство академии наук СССР, 1961. - 240 с.

9. Плешаков А.А., Чан К.Т., Кристаль М.Г. Характеристики пневмо-электронного модуля для контроля линейных размеров сопрягаемых деталей при селективной сборке // Technologia i automatyzacja montazu zespolov, maszyn i urzadzen. — 2014. — № 3. — C. 25-28. иттта

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ

Плешаков Алексей Андреевич — аспирант, e-mail: [email protected], Волгоградский государственный технический университет.

UDC 681.5.08

A.A. Pleshakov

COMPARATIVE ANALYSIS OF DIMENSIONAL GAUGING SCHEMES FOR PNEUMO-ELECTRONIC CONTROL DEVICES

Given paper covers dimension gauging schemes with direct and integral types of gauging signal temporal conversion, used to increase the sensitivity of pneumo-electronic gauging devices. Paper also reflects the results of analytic research of the sensitivity of proposed schemes' performance.

Key words: linear measurement, diameter measurement, pneumatic device, temporal conversion.

AUTHOR

Pleshakov A.A., Graduate Student, e-mail: [email protected], Volgograd State Technical University, \folgograd, Russia.

REFERENCES

1. Stefanyuk R.Yu., Sutin A.I. Copyright certificate no 1019239 USSR, G01B13/00, 23.05.83.

2. Kristal' M.G., Pleshakov A.A., Stefanyuk R.Yu., Kulagin R.N. Patent RU128315, МПКG01B13/00, 20.05.13.

3. Kristal' M.G., Gol'tsov A.S., Pleshakov A.A. Sborka v mashinostroenii, priborostro-enii. 2013, no 3, pp. 3—5.

4. Pleshakov A.A., Kristal' M.G., Gorelova A.Yu. Patent RU139662, MnKG01B13/00, 20.04.14.

5. Pleshakov A.A., Gorelova A.Yu., Kristal' M.G., Kulagin R.N. Patent RU 148813, МПКG01B13/00, 20.12.14.

6. Vysotskiy A.V., Kurochkin A.P. Pnevmaticheskie sredstva izmereniy lineynykh veli-chin v mashinostroenii (Pneumatic equipment for linear measurements in machine engineering), Moscow, Mashinostroenie, 1979, 206 p.

7. Zalmanzon L.A. Aerogidrodinamicheskie metody izmereniya vkhodnykh parametrov avtomaticheskikh sistem (Aero-hydrodynamic methods of measurement of input parameters in automated systems), Moscow, Nauka, 1973, 464 p.

8. Zalmanzon L.A. Protochnye elementy pnevmaticheskikh priborov kontrolya i up-ravleniya (Flow elements in pneumatic monitor and control instrumentation), Moscow, Izdatel'stvo akademii nauk SSSR, 1961, 240 p.

9. Pleshakov A.A., Chan K.T., Kristal' M.G. Technologia i automatyzacja montazu zespolov, maszyn i urzadzen. 2014, no 3, pp. 25—28.