Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ проблемы контроля геометрических параметров крупногабаритных обечаек 11
1.1 Технологические процессы формообразования крупногабаритных оболочек вращения 11
1.2 Анализ факторов, ограничивающих качество выпускаемой продукции 18
1.3 Анализ методов и средств измерения геометрических параметров крупногабаритных деталей 20
1.4 Анализ современных методов и средств измерения локальной кривизны крупногабаритных объектов 32
ГЛАВА 2 Схемы и основные уравнения измерений 41
2.1 Схемы и уравнения измерения дальнометрическим способом 41
2.2 Схема и уравнения измерения проекционным способом 44
2.3 Анализ методических погрешностей дал Биометрической схемы 47
2.4 Анализ методических погрешностей проекционной схемы 60
2.5 Анализ динамических погрешностей 65
ГЛАВА 3 Проектирование оптико-электронных систем контроля локального радиуса кривизны крупногабаритных обечаек 71
3.1 Обоснование возможности использования лазерного дальномера 71
3.2 Обобщенная структурная схема оптико-электроннрой системы контроля ..74
3.3 Дальнометрическая оптико-электронная система контроля локального радиуса кривизны 76
3.4 Проекционная оптико-электронная система контроля локального радиуса кривизны 80
3.5 Выводы к главе 3 85
ГЛАВА 4 Исследование параметров оптико-электронных системах контроля 86
4.1 Исследование параметров проекционной оптико-электронной системы контроля 86
4.2 Методика выбора параметров оптического тракта проекционной системы контроля 96
4.3 Цифровая обработка сигналов в системах контроля 99
4.4 Сравнительный анализ разработанных систем контроля локального радиуса кривизны 109
4.5 Выводы к главе 4 112
Заключение 113
Список использованных источников 114
- Анализ факторов, ограничивающих качество выпускаемой продукции
- Схема и уравнения измерения проекционным способом
- Обобщенная структурная схема оптико-электроннрой системы контроля
- Методика выбора параметров оптического тракта проекционной системы контроля
Введение к работе
Развитие отечественного машиностроения в условиях рыночной экономики связано с повышением качества выпускаемой продукции и снижением ее себестоимости. Особенно актуальны проблемы повышения качества продукции для одной из основных отраслей отечественного машиностроения - нефтегазового и химического.
В машиностроении наибольшее влияние на качество выпускаемой продукции оказывает технологическая точность изготовления базовых деталей. Основными базовыми деталями нефтегазового и химического оборудования являются оболочки вращения — обечайки, которые изготавливаются из листовых заготовок методом гибки на валковых листогибочных машинах. В настоящее время, на заводах это оборудование отсутствуют современные средства измерения геометрических параметров и управления процессом производства. Такое состояние существенно ограничивает качество выпускаемой продукции, приводит к большой доли изделий, не удовлетворяющих требованиям и не позволяет автоматизировать технологические процессы.
Измерение геометрических параметров крупногабаритных деталей (500 — 30000 мм) является одной из сложных областей измерительной техники, что обусловлено большими габаритами изделия и измерительного инструмента, большим объемом измерительных операций, высокой температурой изделия и тяжелыми внешними условиями. Отсутствие инструментального обеспечения не позволяет создавать современные системы контроля процесса производства и модернизировать существующее оборудование.
В связи со спецификой объекта измерения, наиболее перспективным является использование систем контроля с оптико-электронными измерительными преобразователями, обеспечивающими измерение геометрических параметров без механического контакта с объектом в режиме реального времени, и возможность интеграции в существующие системы автоматизации технологических процессов. На рынке отсутствуют серийно выпускаемые средства измерения геометрических параметров крупногабаритных деталей, обеспечивающие требуемую точность
измерений. Таким образом, необходима разработка и исследование специальных
оптико-электронных систем контроля геометрических параметров
крупногабаритных оболочек вращения, что определяет актуальность темы диссертации.
Вопросами теории расчёта и конструирования приборов и систем контроля геометрических параметров изделий посвящены труды учёных: Абдулова А. Н., Гебеля И. Д., Зарезанкова Г. X., Иванова Б. И., Маркова Н. Н., Никифорова А. Д., Полонника В. С, Рубинова А. Д., Сарвина А. А., Сысоева А. Д., Трутеня В. А., Хофмана Д., Шилина А. Н.
Шилиным А. Н. была разработана и подробно исследована схема контроля кривизны оболочек вращения по профилограммам с использованием оптико-электронных измерительных преобразователей. Однако, при этом способе контроля требуется остановка технологического процесса, поэтому для сокращения времени контроля целесообразно использовать непосредственное измерение кривизны оболочки вращения в околовалковой зоне в процессе её формообразования..
Целью работы является разработка и исследование оптико-электронной системы контроля локальной кривизны крупногабаритных обечаек.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
Проведен анализ технологических процессов и условий производства крупногабаритных обечаек, а так же существующих методов и средств измерения геометрических параметров крупногабаритных оболочек вращения.
На основе проведенного анализа предложены схемы измерения локальной кривизны участка обрабатываемой оболочки вращения с первичными оптико-электронными преобразователями, построены математические модели процесса измерения и формирования погрешности, и определены методики исключения некоторых составляющих методических погрешностей.
На основе разработанных схем измерения радиуса кривизны предложены структурно-функциональные схемы оптико-электронных систем контроля локальной кривизны оболочек вращения в процессе их формообразования.
На основе построенных математических моделей и предложенных алгоритмов разработаны компьютерные модели процессов преобразования сигналов в оптическом и электронном тракте, с использованием которых экспериментально исследованы влияние параметров оптико-электронных систем на погрешность измерения.
На основе проведенного исследования разработаны методики выбора параметров предложенных оптико-электронных систем обеспечивающих требуемую точность измерения локального радиуса кривизны крупногабаритных оболочек вращения в процессе их формообразования.
Основные методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы теории оптических систем, теории управления, случайных функций, методы имитационного моделирования, методы обработки изображений, а также эвристические методы проектирования технических систем.
Достоверность полученных результатов подтверждена результатами экспериментов на компьютерных моделях и экспериментальными испытаниями макетов оптико-электронных систем контроля.
Научная новизна работы определяется тем, что впервые:
разработаны методики измерения локального радиуса кривизны крупногабаритных деталей типа «оболочка вращения» непосредственно в процессе их формообразования, а также структуры реализующих их оптико-электронных систем дальнометрического и проекционного типов, использующих в качестве первичных измерительных преобразователей, соответственно, лазерных дальномеры и приемные системы с матричным анализатором;
получены детерминированные и имитационные модели процессов измерения для разработанных оптико-электронных систем, на основе которых исследована структура погрешности измерения;
получены соотношения между параметрами основных элементов оптико-электронных систем, оптимизированные по критерию минимизации методической погрешности измерения локального радиуса кривизны.
Основные положения, выносимые на защиту.
Разработанные структуры оптико-электронных систем дальнометрического и проекционного типов позволяют в реальном масштабе времени контролировать локальную кривизну крупногабаритных оболочек вращения с требуемой точностью.
Необходимая точность измерения обеспечивается алгоритмом вычисления радиуса кривизны оболочки вращения по ее изображению, получаемому с фотоприемной матрицы, в соответствии с которым радиус кривизны определяется на основе интерполяции дугой окружности групп точек границы изображения предварительно выделенных дифференцирующим фильтром, по введенному решающему правилу.
Предложенные методики определения параметров позволяют обоснованно выбирать конкретные элементы оптического и электронного тракта разработанных оптико-электронных систем контроля локальной кривизны оболочек вращения, обеспечивающих требуемую погрешность.
Практическая значимость результатов.
Разработаны структурные и функциональные схемы оптико-электронных систем контроля, обеспечивающие минимальную методическую погрешность измерения локального радиуса кривизны оболочки вращения в процессе её формообразования.
Получены результаты экспериментального исследования опытного образца оптико-электронной системы измерения локального радиуса кривизны оболочки
вращения, позволившие оценить правильность разработанных теоретических положений.
3. Разработаны методики и программа синтеза цифровых регуляторов по аналоговым моделям, позволяющая автоматизировать процесс интеграции разработанной оптико-электронной системы и имеющегося на производстве листогибочного оборудования.
Внедрение результатов работы.
На предприятии «Волгограднефтемаш» приняты к внедрению оптико-электронные системы измерения радиуса кривизны обечайки в процессе ее производства в валковой листогибочной машине.
Результаты исследования используются в учебном процессе Волгоградского государственного технического университета в курсе и «Метрология, стандартизация и сертификация».
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях Волгоградского государственного технического университета (2007-2008 гг.), на ежегодных научных конференциях Волжского филиала МЭИ (2008-2009 г.), на Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (2008 г.), на V всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» (2008 г.) г. Камышин, на конференции «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ-2009» г. Астрахань.
Публикации. Основные результаты исследования представлены в 9 печатных работах, 4 статьи опубликованы в журналах по списку ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 125 страниц основного текста, 49 рисунков, списка литературы (137 пунктов).
Во введении обоснована актуальность проблемы, определены цель и задачи диссертационной работы, сформулированы положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрен технологический процесс изготовления крупногабаритных обечаек методом гибки предварительно нагретой заготовки в валковой листогибочной машине.
Определены требования, предъявляемые отраслевым стандартом на технологическую точность изготовления крупногабаритных обечаек.
Проведен анализ факторов ограничивающих качество выпускаемой продукции, который показал, что для повышения качества выпускаемой продукции необходимо в течение всего процесса обработки заготовки осуществлять контроль её локального радиуса кривизны в околовалковой зоне.
Определены требования, предъявляемые к средствам контроля геометрических параметров на основе проведенного исследования объекта и условий измерения.
Проведен анализ существующих методов и средств измерения геометрических параметров, выявлены основные подходы к измерению, а также проведен патентный поиск современных средств измерения локального радиуса кривизны, на основе чего сделано заключение о необходимости разработки и исследования системы контроля локального радиуса кривизны крупногабаритных оболочек вращения в процессе их формообразования.
Во второй главе приведено описание, разработанных на основе проведенного анализа существующих элементов и устройств, проекционной и дальнометрической схем измерения локального радиуса кривизны.
На основе разработанных схем измерения кривизны получены основные уравнения измерения, и построены математические модели методических погрешностей измерения, которые позволяют по заранее заданным характеристикам
элементов системы вычислять значение погрешности.
Рассмотрено влияние основных параметров дальнометрической схемы измерения на погрешность измерения локального радиуса кривизны обрабатываемой заготовки, и приведена методика их расчета для технической реализации спроектированной системы контроля.
Рассмотрено влияние основных параметров проекционной схемы измерения на погрешность измерения локального радиуса кривизны обрабатываемой заготовки, и приведены методика их выбора при реализации системы, и сформулированы основные требования к элементам системы контроля.
Проведено исследование динамической погрешности предложенных схем измерения, которое показало, что влиянием этой составляющей погрешности можно пренебречь.
В третьей главе обоснована возможность использования лазерного дальномера, а также обоснован выбор физического принципа измерения расстояния, приведены структурно-функциональные схемы разработанных оптико-электронных систем контроля локального радиуса кривизны крупногабаритных обечаек в процессе их формообразования, показаны связи между основными элементами систем, и приведено описание процесса их работы.
В четвертой главе рассмотрены методики выбора параметров построенных систем управления процессом гибки крупногабаритных обечаек.
Сформулированы алгоритмы вычисления локального радиуса кривизны обрабатываемой детали по изображению получаемому с фотоприемной матрицы, с помощью разработанной программы произведено их экспериментальное исследование, на основе чего получены методики выбора параметров оптического и электронного тракта, обеспечивающие достижение требуемой точности измерения.
С использованием разработанной системы автоматизированного синтеза и анализа цифровых фильтров, произведено исследование процессов цифровой обработки сигналов в цифровых элементах разработанных систем управления процессом гибки, выявлены источники погрешности, и определены требования к аппаратной реализации цифровых устройств управления.
Анализ факторов, ограничивающих качество выпускаемой продукции
Из проведенных описаний технологических процессов изготовления базовых деталей следует, что наиболее сложной технологической операцией является изготовление обечаек, поскольку на технологический процесс оказывает влияние большое количество различных факторов. В результате проведенного анализа технологического процесса изготовления обечаек были выявлены факторы, оказывающие отрицательное влияние на качество выпускаемой продукции. Причинно следственная связь влияния отрицательных факторов на технологические операции представлена в виде графа (рис. 1.6).
Как следует из описания технологического процесса производства деталей нефтегазового и химического оборудования, качество выпускаемой продукции зависит от большого числа факторов, оказывающих влияние на технологический процесс. Очевидно, что для повышения качества выпускаемой продукции и исключения брака необходимо свести к минимуму влияние всех описанных факторов. Некоторые факторы, возникающие в связи с неправильной установкой заготовки в машину, можно исключить с помощью различных приспособлений. Некоторые факторы носят систематический характер, например, усадка сварного шва, и могут быть скорректированы. Однако большинство факторов имеют сложную стохастическую связь с геометрическими параметрами детали и поэтому корректировать их довольно сложно. Основной технологической операцией, которая оказывает наибольшее влияние на качество готовой продукции, является правка обечаек.
Из вышеприведенного анализа технологических процессов формообразования основных базовых деталей, представляющих собой оболочки вращения, следует, что для повышения качества выпускаемой продукции и исключение брака, а следовательно, и снижения энергетических затрат в течение технологического процесса правки обечаек необходимо контролировать геометрические параметры и температуру детали, и по результатам контроля управлять технологическим процессом. Решить эту проблему в машиностроении очевидно возможно только оснащением технологического оборудования информационно-измерительными или управляющими системами.
Из приведенного выше технологического процесса следует, что проектируемая система управления технологическим процессом правки обечаек должна выполнять следующие основные функции: измерение формы поперечного сечения обечайки и ее хранение; измерение температуры детали; математическая обработка результатов измерения и вычисление управляющего воздействия для технологического оборудования.
Кроме того, система управления должна удовлетворять следующим основным требованиям: измерение необходимых для управления технологическим процессом геометрических параметров детали; работа системы в реальном масштабе времени; гибкие возможности проведения большого количества измерений; минимальное воздействие на технологический процесс.
Очевидно, что эти основные функции могут быть выполнены только с помощью цифровых измерительных и управляющих систем, например, известно, что использование ЭВМ в измерительной технике для математической обработки профилограмм позволяет получить выигрыш во времени приблизительно в 100 раз [87].
Одной из проблем внедрения автоматизированных систем управления технологическими процессами правки обечаек по технологии, учитывающей первоначальную форму, является отсутствие быстродействующих управляемых приводов перемещениями валков на большинстве моделей технологического оборудования. В тоже время разработка современного технологического оборудования сдерживалась отсутствием технических средств контроля геометрических параметров деталей и технологического оборудования. Поэтому в зависимости от технологического оборудования внедряемые системы могут иметь различный уровень автоматизации, а именно системы могут быть информационно-измерительными или управляющими.
Наиболее сложной задачей при проектировании автоматизированных систем управления является разработка средств измерения геометрических параметровкрупногабаритных изделий. В настоящее время в промышленности для измерения диаметров крупногабаритных цилиндрических изделий используются различные контактные средства измерений: скобы, нутромеры, штангенциркули и шаблоны [77]. Однако большие габариты и масса контактных средств измерения, а также высокая температура нагретых изделий не позволяют осуществлять измерение геометрических параметров с необходимой точностью.
Накладные приборы для измерения по элементам круга. Для обоснованного выбора метода измерения радиуса кривизны необходим анализ существующих методов и средств измерения. В настоящее время известно большое число различных накладных приборов для измерения больших наружных диаметров D, условно называемых прріборами измерения по элементам круга [77]. Основное преимущество таких приборов перед скобами, которые измеряют абсолютный размер, - относительно малые габариты при больших диапазонах измерения. Эти приборы определяют диаметр косвенно по результатам измерения радиуса кривизны цилиндрической детали. Принцип действия накладных приборов основан на том, что один из параметров задается, а другой измеряется. Схема измерения радиуса круга его по элементам (рис. 1.8, а) имеет следующие параметры: L -длина хорды, Н- высота сегмента, F- расстояние от вершины описанного угла до поверхности, S- длина дуги, ос- угол между касательными, образующими описанный угол, Р" центральный угол, соответствующий точкам касания, Т расстояние от вершины описанного угла до точки касания. Принцип действия измерительных приборов определяется комбинацией пар параметров элементов круга и поэтому существует большое количество вариантов конструкций измерительных приборов [77]. Приборы с подобными схемами измерения применимы для измерения деталей с правильной цилиндрической формой, например, деталей, изготавливаемых на токарных и карусельных станках. Профилограммы деталей, изготавливаемых методом гибки из листовых заготовок, содержат гармонические составляющие, обусловленные волнистостью и неплоскосностью листовых заготовок, кроме того, профили обечаек в зоне сварки имеют значительные отклонения от правильнойцилиндрической формы. Из особенностей технологического процесса производства
Схема и уравнения измерения проекционным способом
Из исследования существующих устройств и возможных схем измерения также следует возможность использования проекционной схемы для построения системы управления гибкой обечаек в валковых листогибочных машинах. В качестве приемника оптического сигнала может быть использована фотоприемная ПЗС-матрица, которые получили широкое распространение в настоящее время, и представлены на рынке множеством различных моделей существенно отличающихся по различным параметрам.
Таким образом, основным устройством предлагаемой схемы измерения является цифровая видеокамера содержащая объектив и фотоприемную ПЗС-матрицу, размером MxN фотоприемных элементов. Матрица осуществляет преобразование проецируемого на неё изображения участка торца детали в цифровой код, поступающий для обработки в систему управления. Основная схема измерений представлена на рисунке 2.4.
Измерение радиуса кривизны участка детали происходит бесцентровым способом. В процессе гибки обечайки 1 между неподвижным валком 2 и подвижными валками 3 в листогибочной машине 4 происходит измерение радиуса кривизны участка детали 1 с помощью цифровой фотоприемной камеры 6. Цифровая фотоприемная камера 6 размещена таким образом, чтобы на ПЗС-мартрицу камеры проецировалось изображение участка профиля обрабатываемой обечайки.
Каждый кадр изображения обрабатывается микропроцессором системы управления, на нем выделяется изображение профиля обрабатываемой обечайки и отсекаются сторонние элементы. По выделенному изображению участка детали на основании заданной калибровочной характеристики камеры происходит вычисление радиуса кривизны обрабатываемой детали. Вычисление радиуса кривизны может производится с использование различных алгоритмов, однако инструментальные погрешности измерения остаются неизменными для всех, так как вычисление радиуса кривизны происходит с использованием уже полученного изображения. Для упрощения анализа инструментальных погрешностей рассмотрим алгоритм вычисления радиуса кривизны по трем точкам изображения. Экспериментальное исследование погрешностей алгоритмов вычисления радиуса кривизны в пространстве изображения подробно рассмотрено в главе 4.
На рисунке 2.5 представлен пример изображения участка обрабатываемойобечайки. Изображение, получаемое цифровой камерой представляет собойпрямоугольник ABCD, расположенный в системе координат ПЗС-матрицы (х, у).
Предполагается, что изображение уже было предварительно обработано, и длякаждой точки изображения (х, у) задано отображение:На первом этапе, микропроцессором систем контроля производится вычисление радиуса кривизны участка детали в пространстве изображения. Будем считать, что объектив камеры не вносит искажений в изображение, тогда радиус кривизны участка обечайки в пространстве детали определяется выражением:
Также, требуется приводить вычисленный радиус кривизны к нормальным условиям. Таким образом:где Rti - радиус кривизны участка детали в пространстве изображения, вычисленный с использованием алгоритмов обработки изображения, Г] — коэффициент увеличения цифровой камеры, а — коэффициент линейного расширения металла детали, 0 — разность температур изделия и окружающей среды.
Для использования предложенных выше схем измерения в системах управления процессом гибки крупногабаритных обечаек необходимо произвести оценку потенциальных возможностей предложенных средств измерений, то есть исследовать методическую погрешность.
Согласно технической документации отраслевого стандарта [59] параметры готовых обечаек регламентируются допусками, комплексно учитывающими погрешность собственно размера и отклонения формы контура:1) Отклонение внутреннего диаметра обечайки должно быть не больше ±1% от величины номинального диаметра;2) Относительная овальность обечайки не должна превышать 1%;3) Высота отдельных вогнутостей или выпуклостей не должна превышать 2 мм.
Рассмотрим сначала дальнометрические способы измерения кривизны участка детали, описанные в п.2.1. Как видно из рисунков 2.1 - 2.3, и соотношений (2.1) — (2.6) предложенные способы измерения являются косвенными. Рассмотрим схему измерения с размещением дальномеров в одной точке. Из уравнения (2.1) определим погрешность результата косвенного измерения через частные производные [38] и погрешности задания аргументов входящих в формулу (2.1): В выражение (2.13) входят следующие отклонения аргументов формулы (2.1): А/,, А/2, А/3 — погрешность измерения расстояний /,, /2, /3, соответственно, лазерными дальномерами; А а - погрешность задания угла раствора а между лучами дальномеров; А/г - отклонение толщины листового материала от номинального значения; А0 — погрешность измерения температуры изделия. Соотношение (2.10) выражает отклонение функции - результата измерения через отклонения аргументов. Однако при расчете погрешностей необходимы среднеквадратическое отклонение случайной величины или доверительный интервал при известном законе распределения.
Соотношение (2.10) содержит три различных значения погрешности измерения расстояния А/,, А/2, А/3. Это возможно при использовании дальномеров с различными метрологическими характеристиками. Однако целесообразно использовать дальномеры с одинаковыми метрологическими характеристиками, то есть: Погрешность измерения, или задания аргумента в свою очередь, определяется суммой:
Обобщенная структурная схема оптико-электроннрой системы контроля
На основе анализа существующих элементов и устройств, определенных в первой главе требований, а также на основе исследований схем измерения проведенных во второй главе, разработана обобщенная блок-схема оптико-электронной системы управления процессом гибки крупногабаритных обечаек.
На рисунке 3.1 представлена обобщенная структурная схема оптико-электронной системы управления процессом гибки крупногабаритных обечаек [92, 103]. Объект управления ОУ — обрабатываемая заготовка обечайки, расположенная в валках листогибочной машины ТМ. Основным элементом системы является оптико-электронный измерительный преобразователь ИП1, осуществляющий измерение кривизны участка детали. Набор исполнительных механизмов ИМ] обеспечивает требуемые степени свободы для перемещения измерительногопреобразователя ИПі в пространстве относительно заготовки. Необходимость введения в систему группы исполнительных механизмов ИМ] объясняется необходимостью обеспечить возможность измерения радиуса кривизны различных участков обрабатываемой обечайки, а также необходимостью изменять положение измерительного преобразователя ИПі в зависимости от геометрических параметров детали для обеспечения минимальной методической погрешности измерения.
Измерительный преобразователь ИП2 предназначен для бесконтактного измерения температуры детали, для приведения результатов измерения радиуса кривизны к нормальным условиям. Поскольку заготовка остывает практически равномерно по всей поверхности, то необходимость перемещения измерительного преобразователя ИП2 отсутствует. Положение ИП2 должно выбираться таким образом, чтобы обеспечивать измерение температуры независимо от геометрических параметров обрабатываемой заготовки.
Для определения координаты приложения изгибающего усилия в системе предусмотрен измерительный преобразователь ИП3, осуществляющий измерение углового перемещения валка. С помощью ИП3 осуществляется синхронизация измерительной и силовой части относительно положения заготовки в валках листогибочной машины. Для корректировки усилия создаваемого валком листогибочной машины предусмотрен измерительный преобразователь ИП4, который измеряет момент на валу механизма перемещения валка листогибочной машины. Измерительные преобразователи ИП3 и ИГЦ необходимы для осуществления управления листогибочной машиной, и формируют контур обратной связи. Управление листогибочной машиной ТМ осуществляется с помощью управляющих сигналов, поступающих от ЭВМ на исполнительный механизм ИМ2. Количество измерительных преобразователей ИП3 и ИП4, а также исполнительных механизмов ИМ2 определяется конструкцией конкретной листогибочной машины, общим числом валков и числом подвижных валков.
Данные с измерительных преобразователей ИП] — ИП4 поступают на преобразователь интерфейсов ПИ], предназначенный для преобразования протоколов измерительных устройств в протоколы обмена управляющей ЭВМ, атакже осуществляющий корректную коммутацию входных сигналов. Преобразователь интерфейсов ПИ2 осуществляет взаимодействие управляющей ЭВМ с исполнительными механизмами ИМ] - ИМ2, преобразование протокола передачи данных управляющей ЭВМ в протокол управляющих команд соответствующих исполнительных механизмов, а также корректную коммутацию.
Пульт управления ПУ предназначен для организации человеко-машинного интерфейса для взаимодействия с оператором листогибочной машины — ввода параметров заготовки и технологического процесса, вывода измерительной информации и данных о ходе процесса, а также для ручного управления процессом гибки.
На основе рассмотренной в п. 3.1 обобщенной блок-схемы системы управления процессом гибки была разработана система контроля локального радиуса кривизны, в которой используется рассмотренный в главе 2 измерительный преобразователь на основе лазерных дальномеров. подвижные валки листогибочной машины; 5-7 - дальномеры; 8 — стойка; 9, 10 — датчики угла поворота подвижных валков; 11, 12 —датчики усилия на подвижных валках; 13, 14 —гайки; 15, 16- соосно соединенные винты; 17-шаговый двигатель; 18 — опора электропривода; 19 —электропривод поворота стойки; 20 — система управления электроприводом; 21 — исполнительныймеханизм перемещения валков; 22 — управляющая ЭВМ; 23 — пульт управления.
На рисунке 3.2 приведена структурно-функциональная схема разработанной оптико-электронной системы контроля. В соответствии с проведенным в главе 2 исследованием, в системе, для измерения радиуса кривизны участка обрабатываемой заготовки применен дальнометрический измерительный преобразователь. Разработанная система контроля рассчитана на применение в трехвалковых листогибочных машинах с нижними подвижными валками, однако не существует факторов, ограничивающих применение разработанной системы в листогибочных машинах с иной кинематической схемой.
Основными устройствами этого измерительного преобразователя являются три лазерных дальномера 5-7, расположенных на равном расстоянии d друг от друга на стойке 8. Дальномеры 5-7 осуществляют измерение расстояния до поверхности обрабатываемой заготовки, при этом они расположены на стойке 8 таким образом, чтобы лазерные лучи находились в одной плоскости и были взаимно параллельны. При этом дальномер 6 неподвижно закреплен на стойке, а дальномеры 5 и 7 могут перемещаться в плоскости лучей по поверхности стойки 8.
Расстояние d между дальномерами задается с помощью прецизионной передачи винт-гайка, состоящей из двух соосно соединенных винтов 15 и 16, и гаек 13 и 14. Крайние дальномеры 5 и 7 механически соединены с гайками 13 и 14, соответственно, при этом на винты 15 и 16 нанесена резьба с противоположным направлением хода и одинаковым шагом. Винтовая передача позволяет обеспечить равенство взаимного расстояния дальномеров при любом значении угла поворота винта. Поворот винта осуществляется шаговым двигателем 17, управляемым ЭВМ 22. При этом, датчики угла поворота винта не требуются, так как использование шагового двигателя позволяет точно определить угол поворота по номеру шага.
Угол поворота стойки с дальномерами относительно поверхности детализадается с помощью электропривода 19 размещенного на неподвижной опоре 18.Как будет показано в главе 4, минимальная погрешность измерения радиуса
Методика выбора параметров оптического тракта проекционной системы контроля
С использованием разработанной, и описанной в п.4.1. программной имитационной модели также были проведены эксперименты, позволяющие сформулировать методику выбора параметров оптического тракта проекционной системы контроля. Для этого необходимо определить требования к объективу и требования к параметрам матрицы. Требования к разрешению матрицы описаны в п.4.1, необходимо определить требования к шумам матрицы.
Для исследования влияния этих параметров в разработанную программу была внесена имитационная модель формирования изображения в процессе измерения, при этом участки с резкими переходами размываются гауссоидой вида:где х — расстояние от центра, х„ — точка начала размытия OQ — максимальное значение цвета, а — среднеквадратичное отклонение. При этом размытие происходит только для х хн. Фактически, это размытие определяется параметрами оптической системы, а именно аберрациями объектива. Зная допустимый уровень размытия, при котором обеспечивается требуемая точность измерений можно вычислить требования на аберрации объектива, и, таким образом, обоснованно выбирать параметры оптического тракта.
Затем на изображение накладывается белый аддитивный шум, характеризующийся среднеквадратичным отклонением аш. С помощью этого шума в имитационной модели описывается шум фотоприемной матрицы. Шум матрицы определяется большим количеством факторов, в том числе и технологических. Исследовав влияние шума матрицы на погрешность измерения и определив допустимые пределы обеспечивающие требуемую точность измерений можно обоснованно выбирать фотоприемную матрицу.
Для исследования влияния параметров, с использованием разработанной программы была проведена серия экспериментов, в которых получены следующие экспериментальные зависимости. При этом исследовался только алгоритм использующий интерполяцию дугой окружности, так как он обеспечивает наименьшую погрешность вычислений.
На рисунке 4.6 представлены полученные экспериментальные зависимости погрешности измерения радиуса кривизны от шума матрицы, при различных значениях кружка рассеяния. Из проведенного исследования можно сделать вывод, что влияние шума существенно зависит от диаметра кружка рассеяния, при этом чем меньше кружок рассеяния, тем менее выражено влияние шума на погрешность измерения. Из полученных графиков видно, что при /)=6пикс и аш=6 обеспечивается требуемая точность измерения, при этом эти значения можно обеспечить без использования дорогостоящих элементов и устройств. В случае необходимости повышения точности измерений рекомендуется в первую очередь изменять характеристики объектива и оптической системы, так как улучшение этих характеристик не только уменьшит погрешность измерения, но и снизит влияние шумов.
При проектировании системы для конкретной листогибочной машины необходимо также установить, какой уровень контрастности между изображением детали и фона необходимо обеспечить, чтобы достичь требуемой точности измерений. Для этого была разработана имитационная модель процесса измерений, учитывающая разность уровней фона и детали на изображении, и с её помощьюбыла проведена серия экспериментов. В результате были получены экспериментальные зависимости погрешности измерения радиуса (рис. 4.7). О о
Исходя из полученных данных можно сделать вывод, что определяющим фактором является качество оптической системы. Увеличение диаметра кружка рассеяния приводит к резкому росту погрешности измерения, и соответственно высоким требованиям к контрастности изображения. При D=6 пике, как и было рекомендовано, требуемая точность достигается в широком диапазоне значений А, что позволяет в качестве системы повышения контрастности использовать просто поверхности и материалы с высоким коэффициентом отражения, используя для их освещения обычные лампы средней и высокой мощности.
Из схемы определим угол обзора камеры:где Н, L, и со соответствуют обозначениям на рисунке 4.8.
Зная угол обзора камеры, и параметры матричного фотоприемника можно найти фокусное расстояние:де/— фокусное расстояние объектива, h - линейный размер фотоприемной матрицы в направлении коллинеарном направлению выбора Н.
Для примера рассмотрим случай, когда камера размещена на расстоянии 5м от торца детали, а на данной листогибочной машине производится обработка деталей диаметрами от 2м до 10м, при этом, по условиям технологического процесса известно, что контролируется радиус кривизны на дуге составляющей 30. Тогда минимальный требуемое линейное расстояние равно длине хорды оболочки вращения диаметром 2м для дуги с угловой мерой 30, а максимальное — равно длине хорды оболочки вращения диаметром 10м, т.е. Hmin=518мм, Д„йл:=2588мм. Вычислив по соотношениям (4.11) и (4.12) фокусное расстояние получим: /ш„-34,8мм,у;„ал.=173,7мм.
Таким образом, для контроля деталей различных диаметров необходимо использование объективов с переменным фокусным расстоянием. В приведенном примере кратность увеличения должна составлять 5 раз, что вполне обеспечивается современными вариобъективами.4.3 Цифровая обработка сигналов в системах контроляРазработанные и исследованные системы управления процессом гибки крупногабаритных обечаек предназначены для получения входного воздействия системы управления приводом подвижных валков листогибочной машины. На существующих производствах используются устаревшие листогибочные машины, в которых управление электроприводом осуществляется аналоговыми регуляторами. На рисунке 4.9 представлена схема взаимодействия элементов системы управления.
