Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ способов и аппаратуры корреляционного контроля пространственно-временных параметров движущихся объектов .. 10
1.1 Основные функции, реализуемые в аппаратуре корреляционного контроля 10
1.2 Сравнительная оценка структур построения приборов для корреляционного контроля движущихся объектов 14
1.3 Специфика объектов корреляционного контроля 24
1.4 Сравнительный анализ датчиков корреляционного контроля 30
Выводы по первой главе 49
Глава 2 Обоснование корреляционного метода контроля динамических параметров движущихся объектов 50
2.1 Особенности корреляционного контроля скорости движения и длины витых проводов металлокорда 50
2.2 Сравнительная оценка методов измерения периода и частоты при контроле скорости и длины витого провода 59
2.3 Моделирование влияния неравномерности шага скрутки на точность измерения скорости и длины витого провода 67
Выводы по второй главе 75
3 Особенности реализации функциональных узлов прибора для контроля скорости протяжки и длины витого провода 76
3.1 Конструктивные особенности фотоэлектрических датчиков для приборов контроля скорости протяжки витого провода 76
3.2 Особенности фотоэлектрического контроля геометрических параметров электрических проводов 89
Выводы по третьей главе 99
4 Оценка и анализ результатов экспериментальных исследований основных узлов прибора корреляционного контроля 100
4.1 Результаты исследований точности фотоэлектрического преобразователя скорости протяжки витого провода 100
4.2 Исследование чувствительности фотопреобразователей для контроля скорости протяжки витого провода 109
4.3 Оценка погрешностей преобразования фотоэлектрического прибора для корреляционного контроля скорости протяжки и длины витых проводов 117
Выводы по четвертой главе 121
Заключение 122
Список использованных источников 124
- Сравнительная оценка структур построения приборов для корреляционного контроля движущихся объектов
- Сравнительная оценка методов измерения периода и частоты при контроле скорости и длины витого провода
- Особенности фотоэлектрического контроля геометрических параметров электрических проводов
- Исследование чувствительности фотопреобразователей для контроля скорости протяжки витого провода
Введение к работе
При проведении работ по модернизации современного производства, связанного с изготовлением канатов, электрических кабелей, проводников с изоляционным покрытием и металлокорда возникает целый ряд технологических задач контроля длины и скорости линейного перемещения изготавливаемых протяженных изделий. Сложность точного измерения таких параметров обусловлена неравномерностью движения и изменением расстояния между датчиками и объектом контроля, а также влиянием внешних факторов и отсутствием прямого контакта с движущимся объектом.
Согласно требованиям ГОСТ14311-85 контроль качества витых проводов и металлокорда выполняется по ряду показателей. Среди них особое место занимает контроль общей длины провода на катушке и длины шага свивки проводов, который практически зависит от силы натяжения и скорости протяжки. Вследствие этого необходимо выполнять измерения длины и скорости протяжки при технологическом контроле витых проводов в условиях производства.
Для данной цели обычно используют методы механических измерений, основанные на преобразовании линейной протяжки провода во вращение направляющих роликов известного диаметра с регистрацией количества их оборотов. Однако точность механических измерений практически ограничивается не только проскальзыванием провода и стиранием поверхности роликов, приводящим к погрешности до 2 - 3%, но и изменением длины витых проводов от силы натяжения, вызывающей дополнительную погрешность измерения около 4 - 5%, что не удовлетворяет требованиям стандарта.
При изготовлении витых проводов изменение силы натяжения приводит к пропорциональной вариации длины шага свивки относительно исходного значения. Это позволяет, учитывая периодический характер свивки проводов, использовать для технологического контроля длины или скорости их протяжки корреляционные методы обработки результатов измерений.
Развитию корреляционных методов измерений посвящено достаточно большое количество работ отечественных и зарубежных ученых. Следует
отметить исследования ученых Цапенко М. П., Грибанова Н. И., Козубовско-го Н. Ф., Новицкого П. В., Синицина Б. С, Ланге Ф. и ряда других, которые подробно рассмотрели основные аспекты корреляционного анализа сигналов и разработали структуры построения различных корреляционных приборов.
Несмотря на достаточно подробное теоретическое обоснование преимуществ корреляционного метода измерения, в настоящее время коррелометры изготавливают только в единичных экземплярах и с учетом особенностей контролируемых процессов или изделий. Данное положение обусловлено значительными трудностями, возникающими при технической реализации коррелометров, которые должны выполнять в реальном масштабе времени статистическую . обработку непрерывно поступающих данных о динамических параметрах или характеристиках объектов контроля. Сложность оперативной обработки информации в известных корреляционных приборах обусловлена тем, что при переменной скорости движения контролируемых объектов или процессов нужно выполнять непрерывный поиск экстремального значения автокорреляционной функции. Такая операция реализуется посредством дискретного изменения интервала корреляции тс шагом дискретизации Ах « ти сравнения коэффициентов корреляции, вычисленных при разных значениях т ± Ах. В процессе контроля нужно непрерывно подстраивать интервал корреляции по максимальному коэффициенту корреляции, что практически приводит к значительному увеличению объема вычислительных операций и ограничению точности корреляционных измерений.
Однако существует реальная возможность сокращения объема вычислений и упрощения структуры коррелометров при их использовании для контроля параметров движения объектов с поверхностью волнообразной формы (витых пар проводов., электрических кабелей, длинномерных деталей с внешней резьбой и т. п.). Характерной особенностью таких объектов является равномерное изменение формы или размера диаметра, которое не зависит от скорости движения и определяется только технологией изготовления (шагом скрутки проводов, размером метрической резьбы и т. п.). Несмотря» на то, что такие технологические операции выполняются в производственных условиях с определенными допусками, можно значительно повысить
точность измерения указанных параметров за счет статистического усреднения поступающих данных, реализуемого в процессе корреляционных измерений, что позволяет, в итоге, повысить достоверность результатов контроля.
Кроме сложностей, связанных со статистической обработкой данных в реальном масштабе времени, в корреляционных приборах необходимо использовать первичные измерительные преобразователи, обеспечивающие достаточно высокую надежность получения исходных данных о параметрах контролируемых объектов или процессов. Согласно теории измерений, погрешности первичных измерительных преобразователей или датчиков практически невозможно скомпенсировать любыми способами дальнейшего преобразования. Поэтому к чувствительности и стабильности параметров первичных преобразователей предъявляют особые требования.
Возможность сокращения объема вычислений и упрощение структуры корреляционных приборов обусловлено волнообразной формой поверхности витых проводов, зависящей от длины шага свивки или шага намотки оплеточной проволоки. Преобразование этих параметров в импульсную форму позволяет обеспечить работу приборов на линейном участке автокорреляционной функции и реализовать обработку данных на простых логических элементах. Несмотря на то, что операции свивки проводов выполняются с определенными допусками, имеется возможность повысить достоверность результатов корреляционного контроля за счет статистического усреднения данных.
Согласно теории измерений, погрешности первичных измерительных преобразователей практически невозможно скомпенсировать любыми способами дальнейшего преобразования. Поэтому при разработке аппаратуры корреляционного контроля необходимо учитывать свойства применяемых датчиков механических перемещений - их чувствительность, линейности характеристики преобразования и стабильность параметров, влияющих на результаты корреляционного преобразования.
В связи с этим необходима разработка надежных и удобных в эксплуатации фотоэлектрических приборов с корреляционным преобразованием, позволяющих реализовать технологический контроль механических величин в
реальном масштабе времени и обеспечивающих высокую точность измерений скорости движения и длины витых проводов в производственных условиях. Этим и характеризуется актуальность темы исследований.
Объектом исследования в работе являются средства корреляционного контроля параметров механических перемещений.
Предмет исследования — двухканальные приборы фотоэлектрического контроля с автокорреляционной обработкой результатов измерений.
Целью диссертационного исследования является уменьшение погрешности фотоэлектрической аппаратуры корреляционного контроля длины и скорости протяжки неравномерно-движущихся витых проводов.
Для достижения поставленной цели необходимо решение нескольких научно-технических задач, к основным из которых относятся следующие:
сравнительный анализ современных методов корреляционных измерений, применяемых для контроля параметров витых проводов;
выявление взаимосвязи между точностью измерения пространственно-временных параметров витых проводов и допустимой погрешностью датчиков, применяемых в приборах корреляционного контроля;
сравнительный анализ характеристик датчиков, применяемых при корреляционном контроле длины и скорости протяжки витых проводов;
разработка алгоритмов двухканального фотоэлектрического преобразования пространственно-временных параметров с автоматической коррекцией погрешностей от изменения силы натяжения и длины шага свивки проводов;
разработка и обоснование универсальной структуры построения приборов фотоэлектрического контроля с корреляционным преобразованием на современной элементной базе, обеспечивающих повышение точности измерений и достоверности результатов контроля длины витых проводов за счет автоматической обработки информации в реальном масштабе времени;
анализ методических и инструментальных погрешностей приборов для оценки точности аппаратуры фотоэлектрического контроля;
минимизация аппаратурных затрат при создании приборов фотоэлектрического контроля длины и скорости протяжки витых проводов.
Комплексное решение данных научно-технических задач позволит реализовать контроль механических параметров движущихся объектов с необходимой точностью измерений используя корреляционные приборы, обладающие небольшими массогабаритными показателями, низкой потребляемой мощностью и относительно невысокой стоимостью.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
- усовершенствован способ фотоэлектрического контроля длины и
скорости протяжки витых проводов за счет применения амплитудно-
временного преобразования сигналов фотодатчиков и использования коэф
фициента автокорреляции в качестве поправки в результаты измерений;
установлена линейная зависимость периода выходных сигналов фотодатчиков от силы натяжения и длины шага свивки контролируемых проводов;
предложены алгоритмы определения скорости протяжки и длины витых проводов с двухканальным фотоэлектрическим преобразованием механических величин в импульсы напряжения, основанные на вычислении коэффициентов автокорреляции и их введении в качестве поправки в результаты измерений;
разработана схема определения эллипсоидности диаметра проводов, основанная на использовании полученных коэффициентов автокорреляции.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
на основе проведённых исследований разработана структурная схема построения двухканального фотоэлектрического прибора для корреляционного контроля скорости протяжки и длины витого провода с амплитудно-временным преобразованием механических параметров;
разработаны и исследованы высокочувствительные фотодатчики для приборов корреляционного контроля механических величин и экспериментально доказана их высокая чувствительность к контролируемым параметрам при значительном ослаблении влияния внешней засветки.
Реализация и внедрение результатов диссертационных исследований.
Результаты диссертационной работы внедрены на предприятии "Инженерные решения" (г. Орел) и использованы в учебном процессе в Академии ФСО России.
Anpo6aijiin и публикации результатов работы.
Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований обсуждены на XII Всероссийской научно-технической конференции "Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании" (2007, г. Рязань), на 33-й Всероссийской научно-технической конференции "Сети, системы связи и телекоммуникации" (2008, г. Рязань), на I Всероссийской научно-технической конференции "Информтех-2008", г. Курск. По результатам работы опубликовано 5 научных статей в периодической печати и получен патент на полезную модель.
Методы исследования. В работе использованы фундаментальная теория корреляционного анализа, методы математического и схемотехнического моделирования с применением ПЭВМ, теория погрешностей, методы физико-механического моделирования, а также экспериментальные способы исследований с обработкой результатов методами математической статистики.
Достоверность научных положений и полученных результатов исследований подтверждается их адекватностью с известными результатами, найденными с помощью фундаментальных методов теории строительной механики, а также результатами экспериментальных исследований.
На защиту выносятся следующие научные положения:
усовершенствованный способ корреляционного контроля скорости протяжки и длины витых проводов, обеспечивающий повышение точности измерений за счет применения двухканального амплитудно-временного преобразования выходных сигналов фотодатчиков;
структурная схема построения корреляционного прибора для фотоэлектрического контроля механических параметров движущихся объектов в реальном масштабе времени, защищенная патентом на полезную модель;
алгоритм корреляционных измерений скорости движения и длины протяженных объектов, обеспечивающий повышение точности за счет автоматической коррекции погрешностей от неравномерности движения.
Сравнительная оценка структур построения приборов для корреляционного контроля движущихся объектов
Корреляционные измерения имеют ряд достоинств. Даже значительные влияния внешних факторов, если они не коррелированны с исследуемыми процессами, мало сказываются на результатах контроля. В то же время небольшой дрейф характеристик или возникновение помех, коррелированных с сигналом X{t), может вызвать появление значительных погрешностей.
Степень влияния помех и погрешностей существенно зависит от места их возникновения в корреляционной аппаратуре. В частности, центрирование случайных величин нужно выполнять на входе, а не на выходе коррелометров, чтобы уменьшить объем вычислений и повысить их быстродействие.
Точность корреляционных приборов во многом определяется их принципом действия. Цифровые коррелометры имеют в этом смысле большие преимущества по сравнению с аналоговыми устройствами, при этом их сложность в настоящее время относительно невелика.
При разработке аппаратуры корреляционного контроля применяются два основных метода построения. Первый из них связан с измерением коэффициентов корреляции и последующим восстановлением корреляционной функции. Второй метод основан на измерениях коэффициентов многочленов, аппроксимирующих корреляционную функцию. Каждый из этих методов реализуется в приборах корреляционного контроля последовательно или параллельно, с обработкой аналоговых или цифровых сигналов, в реальном масштабе времени или с изменением скорости процесса и т. п.
Корреляционные приборы последовательного типа реализуют прямые измерения коэффициентов корреляции методом умножения при фиксированных (дискретных) значениях аргумента АгДт, при к = О, I, 2 ... [1].
Поскольку метод умножения выборок исследуемых сигналов применим для корреляционного анализа любых стационарных случайных процессов, то большинство корреляционных приборов контроля практически построено на его основе.
В схеме коррелометра для измерения коэффициента автокорреляции (рис. 1.2) применен блок задержки сигнала X{t) на регулируемый интервал времени т, блоки умножения, интегрирования и суммирования, а также таймер для задания времени интегрирования ГИнт [1] Имеются технические решения, позволяющие избежать операции умножения посредством его замены возведением в квадрат суммы и разности мгновенных значений X(f) и X{t + т) сигнала. Однако коррелометры, основанные на таком принципе действия, не имеют выигрыша по точности и простоте реализации перед обычными коррелометрами с умножением сигналов.
Коррелометры, основанные на полярном методе [6], являются наиболее простыми, но применяются только для анализа нормальных стационарных случайных процессов. Наиболее просто находятся вероятности совпадения (или несовпадения) знаков случайных процессов, сдвинутых относительно друг друга на интервал т. В этом случае можно реализовать операцию умножения импульсов на логическом элементе типа 2И (рис. 1.3).
В полярных коррелометрах нужно принимать меры по обеспечению одинаковых фазочастотных характеристик измерительных каналов, а также исключению связи между ними и уменьшению дрейфа нуля во входных усилителях. Выпускаемый серийный полярный коррелометр КА-ЗД имеет погрешность не более 10%, частотный диапазон от 50 Гц до 20 кГц и способен работать в динамическом диапазоне сигналов от 100 мкВ до 3 В.
Коррелометры, основанные на релейном методе ("значение — знак"), обладают более высокой точностью по сравнению с полярными приборами и приближаются к коррелометрам, основанным на методе умножения. Однако при релейном методе объем выборок увеличивается примерно в два раза по сравнению с методом "значение - значение", что при одинаковой точности увеличивает объем необходимых вычислений и время анализа. Имеются исследования, направленные на повышение точности полярного и релейного коррелометров путем введения вспомогательных случайных сигналов [1].
Компенсационные методы измерения коэффициентов корреляции разработаны значительно слабее. Достоинства этих методов связаны с возможностью исключения ряда инструментальных погрешностей, поэтому еще в 1958 г. был разработан макет первого компенсационного коррелометра [7].
В компенсационном коррелометре такого типа масштаб сигнала X{t) изменяется в к раз (рис. 1.4). На выходе вычитающего устройства получается разностный сигнал X{t + х) - kX(t), который возводится в квадрат и затем интегрируется. В итоге такого преобразования получается величина, пропорциональная коэффициенту корреляции сигналов.
При работе коррелометра изменением коэффициента к достигается минимум показаний на выходе прибора. Погрешности. выполнения операций возведения в квадрат и интегрирования в таком коррелометре не оказывают существенного влияния на точность, а требования к указателю существенно упрощаются, так как определение корреляционной функции практически не зависит от точного значения ее минимума. Этот метод не получил широкого распространения ввиду трудностей, связанных с выполнением операций минимизации выходного сигнала. При этом требуются определенные затраты времени, и ввиду зависимости уровня минимума от значения сигналов определение минимума функций на практике крайне затруднено.
Для независимого измерения коэффициентов корреляции К. Б. Каран-деевым было предложено использовать квазикомпенсационпую цепь, с изменением коэффициента пропорциональности и уравновешиванием сигналов по фазе и амплитуде. При этом изменяется комплексное сопротивление, чем можно добиться нулевого показания индикатора. Благодаря использованию скалярных режимов измерения процесс уравновешивания цепи осуществляется просто и может быть автоматизирован. Время проведения эксперимента практически определяется временем, необходимым для выполнения операции усреднения. Этот принцип применен в аппаратуре для геодезической аэро- и электроразведки методом,естественных электромагнитных полей [1].
Методом "мнимых коэффициентов" можно измерять коэффициенты корреляции с помощью специальных фазосдвигающих цепей, обеспечивающих изменение фазы каждой составляющей спектра сигнала в заданном диапазоне частот на угол 7г/2 без изменения исходных амплитуд сигналов.
Сравнительная оценка методов измерения периода и частоты при контроле скорости и длины витого провода
При измерениях частоты и длительности импульсов, поступающих с выходов фотодатчиков на микропроцессорный блок обработки данных, необходимо выполнять коррекцию результатов измерений в зависимости от неравномерной протяжки витого провода между датчиками в процессе корреляционного контроля скорости и длины витого провода.
Существующие методы измерения частоты принято разделять по виду представления результатов на аналоговые и цифровые, а по диапазону измерения - на инфра-, низко-, высоко- и сверхвысокочастотные. Кроме того, по точности измерений частоты выделяют способы непосредственного цифрового измерения, а также компенсационные и нониусные способы.
Наибольшее распространение в настоящее время получили цифровые методы измерения частоты и интервалов времени: метод сравнения (гетеродинный), метод дискретного счета, и нониусный метод [62]. Аналоговые способы измерения, например, с помощью осциллографа (по фигурам Лиссажу), резонансный (с преобразованием частоты в амплитуду на крутом участке АЧХ колебательного контура), а также способ заряда-разряда конденсатора практически не используют из-за трудоемкости измерений и относительно высокой погрешности, достигающей в разных случаях от 0,1... до 10% [31].
Измерение частоты импульсов чаще всего выполняют методом дискретного счета, применяемым в цифровых частотомерах. К достоинствам этого метода относятся высокая точность, широкий диапазон измеряемых частот и возможность непосредственного вывода результатов измерений на ЭВМ для последующей обработки. При этом цифровые частотомеры позволяют измерять как частоту колебаний, так и интервалы времени [27].
Для оценки достоинств и недостатков метода дискретного счета, применительно к поставленной задаче измерения частоты импульсов на выходе фотодатчиков при контроле скорости протяжки витых проводов, можно проанализировать работу структурных схем цифрового частотомера и цифрового измерителя интервалов времени. Такие функции обычно реализуют конструктивно в одном устройстве и обеспечивают цифровые измерения с высокой точностью (относительная погрешность измерения высокой частоты составляет не более 10 ... 1СГ5%). Такие приборы имеют широкий диапазон измеряемых частот (от нескольких герц до сотен мегагерц).
В структурной схеме универсального частотомера (рисунок 2.3, а) применены входной усилитель, формирователь, селектор и счетчик импульсов с дешифратором и цифровым индикатором. В качестве измерительной мерой обычно используют термостатированный кварцевый генератор прямоугольных импульсов и цифровой делитель опорной частоты /Q. Широкие функциональные возможности частотомера обеспечивает блок управления на логических микросхемах, устанавливающий разные режимы работы прибора.
Особенность работы любого цифрового частотомера заключается в необходимости усиления амплитуды /м входного гармонического сигнала UBX до значения, превышающего установленные уровни срабатывания ±Unop формирователя импульсов, и ограничения большой амплитуды входного сигнала на допустимом уровне. В реальных приборах предусматривают ручную регулировку пороговых уровней в диапазоне С/ПОР = (0,1 ... 1) В, причем для повышения помехоустойчивости нужно повышать значения пороговых напряжений. Только в этом случае формирователь преобразует исследуемый сигнал в последовательность прямоугольных импульсов, частота следования которых равна частоте входного сигнала/х Селектор в схеме частотомера (рисунок 2.3, а) выполняет функцию логического элемента 2И, который пропускает на счетчик сформированные импульсы частоты fx при наличии стробирующего импульса. Длительность этого импульса задается генератором опорной частоты /о =10 МГц и делителем с переключаемым коэффициентом деления частоты ІУдч, и определяет время цифрового измерения 7изм = Nffi/fo (рисунок 2.3, б).
При работе в режиме измерения частоты в конце цикла измерения на выходе счетчика формируется код Nx =./х изм =/х цц//о пропорциональный измеряемой частоте , который после дешифрации выводится на индикатор.
Согласно [56], выделяют две составляющие погрешности измерения частоты методом прямого счета. Первая составляющая - это погрешность формирования образцового интервала времени 7изм, которая зависит от не-стабильности частоты кварцевого генератора уКв (10 ... 10 )%. Это довольно малая величина по сравнению со второй составляющей - погрешностью дискретизации уд \/Nx 1//х7изм, которая увеличивается при уменьшении измеряемой частоты. В некоторых пределах это увеличение можно скомпенсировать увеличением времени измерения Гизм- Однако при контроле импульсов низкой частоты максимальное время измерения ограничивают на уровне 7изм (1---10) с, что связано с чисто психологическим фактором (надоедает долго ожидать результата измерений).
Вследствие этого при цифровом измерении частоты импульсов в диапазоне /х = (10 ... 100) Гц погрешность дискретизации может достигать довольно больших значений уд (1,0 ... 10)%, что в случаях контроля скорости намотки и длины витых проводов является неприемлемым.
Более предпочтительно при измерении низких частот применение косвенного метода, основанного на измерении длительности одного Тх или нескольких периодов входного сигнала с последующим вычислением контролируемой частоты по обратно пропорциональной зависимости: /х - \1ТХ. Структурная схема цифрового измерителя интервалов времени аналогична схеме частотомера (рисунок 2.3, а), и отличается только принципом измерения, который поясняется временными диаграммами рисунка 2.4.
При измерении периода исследуемый сигнал усиливается и поступает на формирователь импульсов, срабатывающий при достижении выходным сигналом усилителя Uy пороговых уровней напряжения ±/Пор- На выходе формирователя получаются прямоугольные импульсы, длительность которых составляет около половины периода входного сигнала. Для выделения длительности периода в состав селектора вводят дополнительный триггер, который выполняет фактически функцию деления частоты /х в два раза и срабатывающий по фронту или по срезу выходных импульсов формирователя. Время открытого состояния селектора определяется периодом Тх входного сигнала, в течение которого импульсы стабильной частоты/оШдц от блока управления проходят на счетчик, которым формируется код Nx = Тх fo/N%4, пропорциональный длительности контролируемого периода Тх.
Особенности фотоэлектрического контроля геометрических параметров электрических проводов
При контроле эллипсоидности диаметра координатным методом используются результаты измерений в вертикальном и горизонтальном профиле цилиндрической поверхности. При этом погрешность измерения координат точек (без учета погрешностей преобразования фотодатчиков и АЦП) представляет собой разность между измеренными и истинными значениями профилей диаметра контролируемого провода. В частности, для двухкоорди-натных измерений данную погрешность определяют по формуле [66]: где хи,Уп и Хд, yR— соответственно измеренные и действительные значения профилей в декартовой прямоугольной системе координат.
Поворот провода с эллипсоидальным сечением на угол а относительно осей X, Y координат фотодатчиков можно представить в виде эллипса с осями а и Ъ вокруг центральной точки Oi элемента поверхности в плоскости (рисунок 3.6). При этом действительные диаметры эллипса поперечного сечения провода можно рассчитать по результатам измерений х и у профилей в горизонтальной и вертикальной плоскостях, используя выражения:
При координатных измерениях профилей цилиндрических поверхностей неточное позиционирование фотодатчиков вносит погрешность в результат контроля диаметра 50. В связи с этим при оценке точности двухкоор-динатных приборов контроля принято использовать двумерное нормальное распределение погрешностей позиционирования по осям координат.
При наличии корреляционных связей между погрешностями позиционирования фотодатчиков в горизонтальной и вертикальной плоскостях X и У относительная максимальная погрешность определения диаметра, согласно результатам исследований [66], составляет не более 80 (0,5...1,0)%.
В общем случае 5 координатных измерений диаметров проводов с учетом инструментальной составляющей 5И можно оценить по формуле где 5М — методическая погрешность, зависящая от формы профиля измеряемой цилиндрической поверхности, отклонения профиля от цилиндрической формы, числа измеряемых точек профиля и расположения этих точек относительно экстремумов профиля, определяющих его форму и размер.
Для уменьшения методической погрешности использован ряд конструктивных способов: фотодиодные линейки ФП1 и ФП2 установлены в горизонтальной и вертикальной плоскостях относительно контролируемого провода с угловой погрешностью Афл-и Афг 1, в аналогичных плоскостях вблизи фотодатчиков установлены вентиляторы для охлаждения изоляции провода, а результаты контроля рассчитываются микропроцессором по средним значениям, получаемым после 16 циклов измерений. Это позволило в 4 раза снизить случайную погрешность при контроле диаметров проводов.
При сравнительной оценке точности коррелометра с механическими измерениями, выполняемыми микрометром, установлено, что максимальная погрешность измерений диаметров проводов не превышает bD 20 мкм, что вполне достаточно для целей допускового контроля проводов с покрытиями.
При реализации корреляционного контроля скорости протяжки витых проводов усовершенствована структурная схема прибора за счет применения удвоителя частоты на элементе типа "Исключающее ИЛИ" (рисунок 3.7, а).
В структурной схеме двухканального коррелометра применены светодиодные излучатели СИ1, СИ2 и фотоэлектрические преобразователи ФП1, ФП2, установленные с противоположных сторон витого провода и служащие для преобразования светового излучения в электрические сигналы. Выходные аналоговые сигналы фотопреобразователей ФП1, ФП2 поступают на формирователи ФИ1, ФИ2 для получения прямоугольных импульсов.
Исследование чувствительности фотопреобразователей для контроля скорости протяжки витого провода
Дополнительным эффектом от применения делителей частоты в обоих каналах фотоэлектрического корреляционного преобразования является то, что расширение длительности формируемых импульсов позволяет реализовать операцию умножения на поправочный коэффициент непосредственно в процессе проведения измерений. Для уменьшения влияния нестабильности шага скрутки на результат измерения длины витого провода необходимо вводить поправку во все последующие результаты измерений.
Например, если в к-й момент времени было зафиксировано изменение длительности импульсов на величину АЛ и г — tmfo 0, то микропроцессор должен вычислить относительную поправку с учетом длительности к-то импульса Nut = tukfo и сформировать поправочный коэффициент
Данный коэффициент записывается в блок оперативной памяти микропроцессора и в дальнейшем используется в качестве сомножителя при расчетах результатов последующих п измерений, вплоть до нового изменения длительности формируемых импульсов. Если же разность между предыдущим и последующим импульсами будет отрицательной, то поправочный коэффициент определяется в виде и аналогичным образом умножается на результаты последующих измерений.
Таким образом, при построении рассмотренного прибора корреляционного контроля достаточно реализовать с помощью микропроцессора сравнительно простые математические операции (сложения, умножения, деления) цифровых величин. Данные операции выполняются в течение 5..7 тактов, поэтому при использовании высокочастотного генератора тактовой частоты, например, fT = 8 МГц, можно обеспечить выполнение таких операций за несколько микросекунд и тем самым реализовать высокоточное корреляционное измерение длины и скорости провода в реальном масштабе времени.
Для оценки влияния силы натяжения витых проводов металлокорда на результаты измерения длины проведены экспериментальные исследования на реальных изделиях двух типов - 22Л15 и 40Л15, имеющих соответственно разные диаметры 01,2 мм и 01,45 мм и шаги скрутки 1\ = 10 мм, /2 = 15 мм.
При проведении эксперимента использовались два предварительно измеренных отрезка металлокорда примерно одинаковой длины, составляющей /л = 503,4 м и 1-я. = 498,7, которые были намотаны на катушки. В процессе испытаний выполнялась перемотка этих отрезков металлокорда с одной катушки на другую, причем выполнялось притормаживание первой катушки с разным усилием с помощью прижимного рычага, чтобы изменять силу натяжения витых проводов в процессе перемотки. Целью этого исследования являлось определение эффекта от применения поправочного коэффициента автокорреляции на точность измерения длины металлокорда.
При проведении исследований использовалась двухканальная схема измерения (рис. 2.2). В процессе перемотки витого провода предварительные результаты измерений считывались по показаниям частотомера, а выходной код реверсивного счетчика использовался для расчета поправочного коэффициента, который определялся после окончания перемотки проводов и суммировался с показаниями частотомера. Фактически выходной код реверсивного счетчика соответствовал суммарному изменению длины шагов скрутки проводов металлокорда от изменения силы натяжения при перемотке провода.
Для повышения точности проводимых измерений предварительно учитывалась длина начального конца металлокорда /нлч= 1 5 м, которая закреплялась на катушке перед процессом перемотки проводов. Для оценки совместного влияния скорости протяжки и силы натяжения проводов на результаты измерений длины металлокорда при исследованиях устанавливалась разная скорость перемотки V] « 0,2 м/с, V2 2,0 м/с, V\ « 5,0 м/с, которая задавалась с помощью тиристорного регулятора. Точную установку скорости перемотки не удалось реализовать из-за изменения эквивалентного диаметра катушки, который непрерывно увеличивается в процессе намотки провода.
При каждом значении скорости протяжки проводов испытания проводились 5 раз, после чего определялось среднее значение погрешности для двух случаев. По показаниям частотомера определялась длина металлокорда без применения коррекции погрешности от изменения силы натяжения и длины шага свивки проводов, а выходной код реверсивного счетчика после дешифратора выводился на цифровой индикатор и использовался для введения поправки в результаты измерений. После проведения измерений полученные результаты сравнивались с номинальной длиной отрезков металлокорда и определялась относительная погрешность измерений. В результате проведенных исследований получены усредненные зависимости относительной погрешности от скорости протяжки витых проводов, которые показаны на рисунке 4.3.
