Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние и тенденции развития средств определения длины и скорости проката в технологическом цикле производства 18.
1.1. Постановка задачи 18.
1.1.1. Электромеханические измерители длины 19.
1. 1.2. Фотоэлектрические измерители длины 21.
1.1.3. Фотоимпульсные измерители длины с прямым счетом импульсов 22.
1.1.4. Фотоимпульсные измерители с применением развертывающих систем 23.
1.1.5. Приборы для измерения скорости прокатываемого металла 25.
1.2. Обзор и анализ существующих средств измерения длины и скорости движущегося проката 27.
Глава 2. Экспериментальное и теоретическое исследование элементов и узлов систем с бесконтактными преобразователями длины, работа которых основана на корреляционных методах измерения
Глава 3. Иссвдование элементов и узлов преобразователей длины, работа котошх основана на принципе записи и воспроизведения локальных магнитных меток на поверхность измеряемых тел 78.
Глава 4. Иссвдование систем с устройствами обнаружения месторасположения сварных швов в процессе контроля движущегося проката и методы компен сации погрешностей, вызванных их прохождением 126.
Глава 5. Иссвдование некоторых методов исключения факторов влияния проскольза и стирания мерительных органов в контактных преобразователях длины 145.
Общие выводы 166.
Литература 168.
- Фотоимпульсные измерители длины с прямым счетом импульсов
- Обзор и анализ существующих средств измерения длины и скорости движущегося проката
- Экспериментальное и теоретическое исследование элементов и узлов систем с бесконтактными преобразователями длины, работа которых основана на корреляционных методах измерения
- Иссвдование систем с устройствами обнаружения месторасположения сварных швов в процессе контроля движущегося проката и методы компен сации погрешностей, вызванных их прохождением
Введение к работе
В решении главной экономической задачи партии и народа нашей страны - создании материально-технической базы коммунизма - важнейшую роль играет быстрое развитие черной металлургии. Металл и топливо по-прежнему останутся фундаментом современной промышленности. В связи с этим, большое значение имеет систематический рост производства черных металлов и, в частности, проката.
ХХУІ съезд КПСС с особой остротой поставил вопрос о коренном улучшении качества и увеличении выпуска всех видов металлопродукции в черной металлургии.
Прогрессивное развитие современной промышленности зависит не только от количества производимого в стране проката, но от его качества. Важнейшая задача народного хозяйства состоит в том, чтобы "обеспечить высокие темпы развития черной металлургии, обратив особое внимание на улучшение качества металла". Повышение качества прокатной продукции означает достижение в ней определенного уровня механических и физических свойств, обеспечение хорошей чистоты по содержанию эредных примесей и включений, расширение сортамента марок сталей и профилей, а также гарантирование правильности формы их сечения и точности размеров.
Для решения данной задачи созданы различные типы преобразователей (датчиков), приборов и средств автоматизации, которые можно рассматривать как выявление важных резервов роста производительности на прокатных станах с одновременным улучшением качества выпускаемой продукции.
Поэтому пятилетним планом развития народного хозяйства СССР предусмотрено: "в приборостроении повысить технический уровень, точность и надежность приборов, средств автоматизации и вычислительной техники на основе новейших достижений микроэлектроники, оптоэлектроники и лазерной техники.
Опережающими темпами развивать производство приборов и датчиков систем комплексной автоматизации сложных технологических процессов, агрегатов, машин и оборудования, а также приборов и средств автоматизации для контроля качества выпускаемой продукции и за счет вышеперечисленных мероприятий повысить производительность труда на 12 - 14 процентов в черной металлургии".
Существенными резервами экономии металла и повышения производительности труда являются непрерывное совершенствование техники и организации прокатного производства, рационализация раскроя и улучшение использования образующихся при этом обрезков, борьба с браком и коррозией металла, применение более экономичных материалов новых видов и новых профилей, улучшение качества выпускаемой продукции, производство и поставка потребителям проката мерных и кратных размеров, снижению веса машин и изделий путем усовершенствования их конструкции, повышения прочности и долговечности и др.
Одним из наиболее эффективных способов экономии металла является переход на прокатку с минусовыми допусками.
Сущность прокатки с минусовыми допусками заключается в том, что из слитка одной и той же массы получится гораздо больше погонных метров готового профиля, чем при прокате ее с превышением нормального (номинального) размера. В результате достигается экономия металла. Прокатка профилей с минусовыми допусками и повышение точности размеров проката обеспечивают экономию металла не только в металлургии, но и в машиностроении при одновременном улучшении эксплуатационных показателей машин, а также в строительстве.
Снижение массы вагонов, автомобилей, тракторов и других сельскохозяйственных и транспортных машин в результате применения проката повышенной точности наряду с экономией металла позволяет уменьшить расход топлива на их передвижение, увеличить полезную грузоподъемность. Повышение точности проката позволяет также снизить затраты труда на обработку деталей на машиностроительных заводах,благодаря использованию в производстве более точных заготовок, и одновременно уменьшить стоимость их изготовления. Таким образом, повышение точности прокатки (и экономия металла) является важным фактором роста производительности всего общественного труда.
По мнению отдельных специалистов, профили, прокатанные с минусовыми допусками, работают в конструкциях с перенапряжением. Это не имеет места в существующей практике, так как предусмотренные ГОСТами минусовые допуски по размерам сечения профилей компенсируются в расчетах соответствующим коэффициентом запаса прочности. Расчетным размером проката, гарантирующим необходимую прочность конструкции, является минимально допустимое стандартами сечение прокатных профилей.
Учитывая огромное значение экономии проката черных металлов за счет облегчения профилей проката в пределах допускаемых отклонений, в нашей стране установили такой порядок взаиморасчетов между заводами - поставщиками и потребителями металлопроката, при котором количество продукции определяется не взвешиванием профилей, а замером их точности метража и расчетом теоретической массы проката, исходя из номинальных размеров его сечения (т.е. без учета фактических отклонений).
Таким образом, цена и оплата, по существу, установлены за погонный метр проката, причем фактическая масса его может колебаться в значительных пределах.
Такой порядок учета поставок и взаиморасчетов с потребителями, безусловно, стимулирует работу металлургических заводов по производству проката с колебаниями размеров в пределах поля минусовых допусков, т.е. между "нормальной" и "минимумом".
Расчеты показывают, что себестоимость каждой тонны проката, дополнительно произведенной за счет прокатки с минусовыми допусками, примерно в восемь-девять раз ниже себестоимости проката номинальных размеров (учитывается повышение расходов по переделу при прокатке с минусовыми допусками вследствие увеличения износа и расхода валков, расхода электроэнергии, износа другого оборудования и расходов на его ремонт).
На металлургических заводах учет экономии металла осуществляется в сравнении с плановыми расходными коэффициентами. Уровень последних определяется, в основном, достигнутыми результатами по расходу металла на прокат за отчетный период. Поэтому абсолютный размер экономии металла по бригаде, цеху, заводу в целом еще не позволяет судить о культуре производства и уровне технологии, от которых в конечном счете зависят величины расходных коэффициентов. На тех предприятиях в цехах, где достигнуты высокие показатели по снижению брака, в частности, снижена до минимальных размеров технологическая обрезь, а прокатку профилей производят, в основном, в пределах допускаемых отклонений по размерам между "нормой" и "минимумом", абсолютный размер экономии металла может быть и невелик. В этих объектах, в некоторых случаях, даже при перерасходе металла против плана, истинные показатели в результате работы могут быть более высокими, чем у предприятий, имеющих большую экономию металла, но более высокие расходные коэффициенты на анало - 8 -гичные же профили проката.
В ряде случаев на металлургических заводах еще отсутствует систематизированный учет экономии металла, полученной прокаткой его с минусовыми допусками} в результате действующей системы планирования и учета производства трудно оценить, получена ли за счет этой экономии металла дополнительная обрезь или годная продукция. Исходя из этого, часто невозможно дать оценку работы цеха и предприятия в целом в области достижений экономии металла благодаря прокатке с минусовыми допусками.
В тех случаях, когда производство и отгрузку металлопроката осуществляют по теоретической массе, а все отходы проката (окалина, обрезь, брак) учитывают по фактической массе при отгрузке смежным цехам и производствам, предусмотренные технической отчетностью балансы металла выявляют лишь отклонение между теоретической и фактической массами годного проката.
Прокатка с минусовыми допусками влечет избыток обрези и, наоборот, превышение размеров сечения против номинальных приводит к дефициту отходов (обрези).
Наиболее точно снижение массы прокатываемых профилей против номинальной может быть определено путем сплошного взвешивания и сравнения фактической массы с теоретической. Однако, в этом случае, возникает необходимость иметь преобразователи длины и массы, которые будут измерять длину (для теоретического веса) и фактический вес с большой точностью.
Более упрощенным методом описанного выше сплошного взвешивания и сравнения полученной массы проката с теоретической (номинальной) является выборочное взвешивание проб. В этом случае тоже необходимы преобразователи, работающие с большой точностью.
Следующим методом учета экономии металла путем прокатки его с минусовыми допусками является метод сравнения фактически полученного метража проката с метражом, исчисленным из расчета номинальных размеров и минимальных технологически неизбежных потерь металла на угар, окалину, обрезь и стружку.
Так как учет экономии металла должен осуществляться в тех цехах и для той продукции, которую отгружают по теоретической массе, результаты этой экономии могут быть получены аналогично путем сравнения производства металла в теоретической массе с нормативным выходом годного металла в теоретической массе, исчисленным из расчета номинальных размеров, согласно таблицам ГОСТов.
Таким образом, собственно экономия металла или, вернее, дополнительный выход проката благодаря прокатке с минусовыми допусками выше фактической экономии на величину сверхнормативных отходов и брака.
При расчете экономии металла путем прокатки его с минусовыми допусками и для расчета теоретической массы готовой продукции прокатных станов все же не исключена возможность погрешностей, возникающих в процессе измерения длины проката.
Как уже было отмечено, необходимо разрабатывать преобразователи длины, работающие с большой точностью, которые будут отвечать всем требованиям прокатного производства.
Измерение длины проката не должно вызывать простоев станов и тем самым снижать их производительность. Измеритель длины должен быть прост по конструкции и обслуживанию и расчитан на длительную непрерывную работу в условиях больших скоростей прокатки. Следовало бы предусмотреть использование измерителя как датчика для счетчиков суммарного метража. Измеритель должен также автоматически реагировать на изменение длин полос, следующих друг за другом в потоке. Для горячего проката он должен быть бесконтактным и иметь защитное приспособление от возможных механических повреждений в специфических условиях работы прокатных станов.
Преобразователи и датчики различных параметров, а также первичные устройства обработки данных часто являются неотъемлемой частью общего технологического процесса, от надежности, точности и дискретности работы которых зависит качество выпускаемой продукции.
В данной диссертационной работе основное внимание уделено основам выбора и использования высокоточных преобразователей длины, скорости и ускорения, имеющих высокую дискретность, дающих возможность не только измерять параметры различных объектов при их движении, но и определять продольные координаты места расположения различных участков на поверхности последнего с высокой точностью.
Рассмотрены принципы преобразования параметров с использованием методов световой и магнитной корреляции, нанесения и считывания локальных магнитных меток; смешанных методов с использованием одновременно бесконтактных и контактных преобразователей и датчиков.
При этом принципы работы ряда рассмотренных преобразователей, датчиков измерительных и информационных устройств и систем могут найти широкое применение кроме металлургической промышленности и в других областях науки и техники - машиностроении, станкостроении, приборостроении, системах автоматизации и др.
Принципы и методы измерения рассмотрены совместно с устройствами ввода, счета, первичной обработки, коррекции, регистрации и отображения полученной информации, что очень важно для дальнейшего использования приведенных результатов исследований.
Предлагаемые блоки, узлы, устройства и подсистемы позволят решать задачи конструирования и внедрения АСУ ТП, АСУ П и ИИС прокатными станами и агрегатами, металлообрабатывающими станками, технологическими процессами металлургического производства и т.п. При этом самостоятельное значение имеют разработки по устройствам ввода, отображения и регистрации информации, по методике получения высокой степени квантования и высокой дискретности многоэлементных и смешанных измерительных и вычислительных устройств и локальных измерительных систем.
Измерение движущихся объектов - измеряемых тел происходит в условиях изменения их параметров, многих силовых и скоростных факторов; кроме этого, неоднородность структуры и состава этих объектов, изменение их свойств под влиянием окружающей среды и конструктивных параметров средств производства (параметров станов и агрегатов) ставит часто перед создателями автоматизированных систем управления (АСУ) и информационно-измерительных систем (ИИС) сложные задачи, решением которых можно считать только создание ряда элементов и узлов измерительной и вычислительной техники, обладающих высокой степенью надежности, достоверности и дискретности. При этом увеличение дискретности разработанных узлов, устройств и подсистем не должны увеличивать погрешность определения того или иного параметра, что особенно важно при создании смешанных измерительных систем, предназначенных для одновременного определения многих параметров измеряемых тел совместно с заранее введенными постоянными величинами, которые характеризуют тот или иной измеряемый параметр или компенсируют погрешность измерения этого параметра.
Величины, которые полностью определяют тот или иной измеряемый объект, измеряемую величину или измеряемый параметр, являются основными характеристиками. При этом многие измеряемые величины функционально связаны между собой и определение нужного параметра осуществляется косвенно, путем определения одного из параметров с последующими расчетами другого параметра аналитически. В ряде случаев косвенные измерения дают более высокие результаты, чем непосредственные измерения определенных параметров, что еще более увеличивает предъявляемые требования к надежности, работоспособности и достоверности отдельных элементов, узлов, устройств, подсистем и локальных систем, которые следует определять с учетом параметров измеряемых тел, совместно с динамическими характеристиками выпускаемой продукции - горячего и холодного проката, сварных труб и т.д., которые, в свою очередь, часто функционально связаны с характеристиками станов и агрегатов -с их силовыми и скоростными параметрами.
Определение характеристик средств автоматизации и измерения, характеристик измеряемых объектов и их функциональных зависимостей часто требуют проведения специальных экспериментальных и теоретических исследований, результаты которых являются основой при определении измеряемых величин. Сюда же можно отнести задачи об установлении количественных связей между механическими и электрическими характеристиками. Б настоящее время эти признаки в большинстве случаев являются набором ряда эмпирических уравнений и правил, в виде вводимых постоянных коэффициентов при расчете исходных данных, при определении результатов измерения или при осуществлении процесса исключения и компенсации погрешности измерения того или иного измеряемого параметра.
Создание принципиально новых методов и принципов измерения, обработки, передачи, расчета, отображения и регистрации информации существенно развили и продвинули проблему увеличения достоверности ввода постоянной информации - практически важную задачу, тесно связанную с теорией информации.
Цель, предмет и методика исследования
В связи с вышеизложенным, целью настоящей работы является разработка средств сбора данных, переработки и вывода оперативной измерительной информации в информационно-измерительных системах для черной металлургии.
1. Создание, исследование, разработка и внедрение различных преобразователей, измерительных подсистем и систем для контактного и бесконтактного измерения длины, скорости, ускорения, массы (фактической и теоретической) движущегося проката.
2. Исследования преобразователей длины работающих на корреляционных светооптических и магнитных методах.
3. Исследование определения области рационального использования преобразователей параметров на основе статистического анализа динамических характеристик измеряемого тела.
Методика исследования и разработка основаны на дальнейшей обработке материала экспериментальных исследований с помощью современной теории математического анализа. В процессе экспериментальных исследований преобразователи размещались над исследуемым телом в реальных производственных условиях или под имми-таторами измеряемых тел. Результаты обрабатывались с помощью ЭВМ и выводились функциональные зависимости между отдельными устройствами, подсистемами и измеряемыми объектами.
Полученные результаты теоретических исследований проверялись в условиях длительной эксплуатации созданных средств и систем в реальных условиях работы на различных станах черной металлургии. Результаты исследования и эксплуатации показали высокую степень сходимости теоретических и экспериментальных данных, высокую надежность работы.
Научная новизна работы
Разработан новый метод измерения длины (скорости, ускорения) токоведущих и ферромагнитных тел на основе корреляционных оптико-электронных и магнитных принципах действия и точность работы которых определяется величиной базового расстояния корреляционных преобразователей и степени квантования обработки полученных результатов.
Впервые на основе статистического анализа динамических характеристик измеряемого объекта определены параметры преобразователей, подсистем и систем измерения, которые дают возможность значительно расширить область применения разработанных средств (систем, подсистем).
8.4. Практическая ценность работы
Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что на основании приведенных теоретических, экспериментальных и производственных исследований разработаны преобразователи геометрических размеров проката, внедрение которых дало возможность осуществить полный переход на планирование, учет и отпуск потребителю труб по длине, теоретическому и фактическому весу. Это в свою очередь дает полную информацию о качестве выпускаемой продукции и стимулирует выпуск проката по минусовым допускам, что дает экономию металла.
Разработанные преобразователи отличаются от существующих высокой эксплуатационной надежностью, высокой точностью и большим экономическим эффектом.
Внедрение разработанных средств, подсистем и систем имеет важное народно-хозяйственное значение.
8.5. Реализация результатов в промышленности
Созданные и внедренные преобразователи и измерительные сие - 15 темы дали возможность осуществить полный переход на планирование, учет и отпуск потребителю металлопродукции по длине, теоретическому и фактическому весу. Дает полную информацию о качестве выпускаемой продукции и стимулирует выпуск проката по минусовым допускам, что в свою очередь характеризуется высоким экономическим эффектом.
Представленная работа является результатом исследовательской и конструкторской работы во Всесоюзном научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте автоматизации производственных процессов в промышленности - БНИПИавтоматпром г.рустави, Всесоюзном научно-исследовательском институте аналитической техники г.Тбилиси научно-производственного объединения "Аналитпри-бор" и внедрена на fty-ставском металлургическом заводе, Аз.трубном заводе г.Сумгаита и др.ведущих предприятиях СССР в 1974--І98ІГ.Г.
Экономический эффект от внедрения системы только на одном стане ТЩ РМЗ превышает 500 т.руб. в год.
Вышеуказанные преобразователи (подсистемы, датчики) после длительных эксплуатационных испытаний в промышленных условиях сданы междуведомственным комиссиям Министерства приборостроения, средств автоматизации и систем управления и Министерства черной металлургии СССР и, по их мнению, они признаны типовыми и отвечают всем требованиям как по надежности, так и по точности.
Разработанные и внедренные преобразователи, подсистемы и системы демонстрировались на международных выставках в г.Пловдиве (НРБ), г.Загребе (СФРЮ) и г.Лейпциге (ГДР), где они удостоены трех больших золотых медалей, а в г.Лионе (Франция) и Измире (Турция) пользовались большим успехом.
В.6. Апробация диссертационной работы
Изложенные в диссертационной работе основные теоретические и практические положения докладывались и обсуждались на ряде
Всесоюзных и республиканских конференциях:
1. Республиканская научно-техническая конференция молодых ученых "Автоматизация и управление технологическими процессами" г.Тбилиси,1974г. "Создание системы точного определения параметров проката" (Дзагания Т.Б., Кервалидзе Д.Н.).
2. Тезисы докладов ХХП Республиканской научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ГШ им.В.И.Ленина и работников производства,г.Тбилиси,1979г."Многофункциональные регистровые элементы вычислительных устройств автоматизированной системы измерения параметров проката" (Цирамуа Г.С.,Имнайшвили Л.Ш., Дзагания Т.Б.).
3. Ш-я научно-техническая конференция "Вопросы проектирования и математического обеспечения информационно-вычислительных систем" г.Пенза, 1978г. "Определение длины проката при помощи дискретного преобразователя" (Кахеладзе К.Г.,Круашвили З.Е.,Дзагания Т.Б.).
4. Ш-я научно-техническая конференция "Вопросы проектирования и математического обеспечения информационно-вычислительных систем" г.Пенза, 1978г. "Преобразователь длины поперечно-перемещающихся отрезков проката (Кахеладзе К.Г.,Круашвили З.Е.,Церетели П.А., Дзагания Т.Б.).
5. I областная научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов предприятий и организаций Министерства черной металлургии "Задачи молодых ученых и специалистов по исследованию и внедрению новых научно-технических разработок" г.Запорожье,1976г "Разработка автоматизированной системы управления параметрами проката" (Дзагания Т.Б.).
6. П конференция молодых ученых закавказских республик по автоматическому управлению,г.Тбилиси,1979г. "Автоматизированная система компенсации погрешности преобразователей длины в динамическом режиме их работы (Дзагания Т.Б.).
7. П Республиканская научно-техническая конференция "Метрология и технические средства в автоматике" г.Харьков,1984г. "К вопросу эффективного использования подсистемы определения конца смешивания исследуемой жидкости и титранта" (Кахеладзе К.Г.,Дза-гания Т.Б., Смирнов Б.М., Арушанов В.Г., Дадян Э.Г.).
8. Материалы Всесоюзного семинара "Оптоэлектронные устройства в приборостроении и информатике" г.Тбилиси, 1985г. "К вопросу Звеличення точности оптоэлектронных преобразователей длины" (Кахеладзе К.Г., Дзагания Т.Б., Гогоберидзе А.А., Лабадзе А.И., Мгеладзе Ш.Г.).
8.7. Публикации
Основные результаты по диссертационной работе опубликованы в 12 трудах, из них 2 авторских свидетельства и одна монография: Кахеладзе К.Г.,Круашвили З.Е.,Дзагания Т.Б. "Элементы и узлы измерительных и вычислительных устройств для систем автоматизации" г.Тбилиси, изд-во Тбилисского государственного университета, 1983г., 488 с.
8.8. Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, списка литературы и приложений. Работа изложена на 172 страницах. Из них: объем основного текста диссертации составляет 131 страницу; схемы, графики, таблицы, список литературы изложены на 41 странице. Каждая глава диссертации имеет независимые выводы, а диссертация в целом - общие выводы. Содержит список литературы (56 названий работ отечественных и зарубежных авторов). В приложении приведены документы о результатах внедрения, использования разработанных средств измерения и отзывы.
Фотоимпульсные измерители длины с прямым счетом импульсов
Простейшая схема фотометрического измерителя с прямым счетом представляет собой фотодатчики, размещенные на линии продольного движения проката, которые при затемнении выдают в измерительную систему электрические импульсы. Изделие попадает сначала в поле зрения первого фотодатчика, а затем, продвигаясь вперед по рольгангу, последовательно проходит мимо остальных фотодатчиков. Импульсы от них поступают в счетчик и суммируются. Каждый импульс соответствует расстоянию между фотодатчиками L . Таким образом, длина изделия будет равна L ( П - I ), где У\. - число засвеченных фотодатчиков. Счет импульсов прекращается, когда задний конец изделия выйдет из поля зрения первого фотодатчика. Точность измерения таким образом зависит от шага L установки фотодатчиков. Для увеличения точности измерения с одновременным снижением числа фотодатчиков схему измерения строят по принципу грубого и точного отсчетов. В этом случае отсчет ведется обоими концами изделия.
Грубый отсчет ведется по переднему концу изделия, пока задний конец не выйдет из поля зрения первого фотодатчика. Точный отсчет ведется по заднему концу изделия с момента выхода его из поля зрения первого фотодатчика до момента засветки следующего фотодатчика грубого отсчета. Длина полосы при этом равна: I - шаг установки фотодатчиков точного отсчета, Уг\ - количество засвеченных фотодатчиков точного отсчета. К измерителям длины изделий с прямым счетом импульсов относятся приборы с нанесением магнитных, тепловых, радиоактивных, люминесцентных меток. Каждая метка имеет определенную цену длины изделия. При прохождении мимо регистратора эти метки считываются измерительной схемой. Путь, пройденный прокатом, определяется по формуле: , где YI - число меток, Д L - расстояние между записывающей головкой и приемником. Такие измерители применяются, в основном, для измерения метража длинных и "бесконечных" полос при намотке их в рулон и для проволоки. Фотоимпульсные измерители с применением развертывающих систем позволяют определять не только поперечные, но к продольные размеры проката.
Для измерения длины применяются приборы с механическими и электрическими развертывающими системами. В механических развертывающих системах для развертки используют архимедову спираль, барабан с элементом развертки в виде винтовой линии или по образующей, а также барабаны с линзами или зеркалами. Из электрических развертывающих систем чаще всего применяют различные варианты телевизионных систем. В системах с механической разверткой щелевая диафрагма и винтовые прорези при непрерывном вращении барабанов создают развертку изображения конца полосы на фоне осветителя, причем за один оборот просмотр изображения происходит столько раз, сколько прорезей на барабане. Суммарное напряжение, снимаемое с фотоэлементов, регистрируется вторичным прибором, который градуируется в единицах длины. Телевизионная система для дистанционного измерения длин заготовок состоит из передающей камеры, помещенной против двух зеркал, расположенных между собой под прямым углом. Градуированную шкалу устанавливают параллельно оптической оси камеры. Оптическая ось камеры и шкала находятся параллельно плоскости, в которой ведется измерение. С помощью зеркал и системы линз достигается совмещение изображения заготовки и шкалы в плоскости развертки передающей камеры. Система зеркал может приводится во вращение сервомеханизмами. При повороте системы зеркал градуировка шкалы будет скользить вдоль изображения заготовки, при этом начало шкалы может быть совмещено с одним концом заготовки, а по второму - проводится отсчет. С помощью этой системы можно измерять длину заготовок в пределах от 3,65 до II м с погрешностью + 3 мм. К недостаткам приведенных устройств и систем можно отнести нестабильность показаний по причине наличия случайных и непра вильных отображений сигнала от поверхности металла. Последнее в данной работе сведено к минимуму использованием корреляционных фотоэлектронных методов измерения или исключено использованием методов магнитной корреляции.
Обзор и анализ существующих средств измерения длины и скорости движущегося проката
В [і] описано фотоэлектрическое устройство для фиксации длины отрезаемой полосы на линии резки.
Над полосой на заданном расстоянии от линии реза ножниц установлен фотоимпульсный датчик, выходной сигнал которого воздействует на триггер, управляющий скоростью движения и моментом останова полосы. Суть работы устройства заключается в следующем:
Подающие ролики подают полосу, предназначенную для пореза на листы мерной длины, на транспортер за линию реза ножниц. Электропривод подающих роликов состоит из двигателя, генератора, усилителя. Над транспортером установлен фотоимпульсный датчик. Расстояние между линией реза ножниц и оптической осью фотоимпульсного датчика равно мерной длине листа. Под транспортером установлен осветитель. Фотоимпульсный датчик связан с полупроводниковым триггером и усилителем. К выходу усилителя подключены две обмотки управления электромашинного усилителя. Фиксация длины отрезанной полосы осуществляется следующим образом. При вхождении полосы в поле зрения фотоимпульсного датчика на катоде фотоумножителя возникает импульс "затемнение",длительность которого пропорциональна длине полосы, находящейся в поле зрения датчика.
Дифференцированный импульс "затемнение" подается на триггер, с которого снимаются два строго прямоугольных импульса. Длительность первого импульса пропорциональна длине полосы, длительность второго импульса пропорциональна разности поля зрения датчика и длине полосы, находящейся в поле зрения датчика.
В [ 2 ] описано устройство для бесконтактного измерения длины проката на сортовом стане в пределах 15,2 - 76,2 м., созданное на фирме "Tones and ЬсосрКсіки SleeP- Coip" (США). Основными частями устройства являются два фотореле, импуль-сатор и счетчики предварительной настройки с предварительной установкой суммарной длины.
Головки фотореле снабжены коллиматорными трубками для исключения внешней засветки. Импульсатор механически связан с двигателем привода чистовой клети и выдает 360 импульсов за один оборот вала привода. Одно фотореле установлено на минимально возможном расстоянии от чистовой клети. Другое фотореле расположено на расстоянии 15,2 м от первого.
Устройство калибруется по этому отрезку так, что импульсы, отсчитанные в период движения полосы от первого фотореле ко второму, соответствуют длине 15,2 м. Работа устройства протекает следующим образом: в момент выхода переднего конца проката из последней клети срабатывает первое фотореле, и импульсы от импульсатора поступают на счетчик предварительной настройки. Когда передний конец полосы подходит ко второму фотореле, то вход первого счетчика закрывается, а его схема запоминает суммарное число импульсов, соответствующее 15,2 м. Во второй счетчик поступают импульсы за время от пересечения передним концом проката второго фотореле до пересечения задним концом проката первого фотореле. Схема деления производит деление числа импульсов, зафиксированных первым счетчиком, на число импульсов, зафиксированных вторым счетчиком.
При испытаниях прибор измерял длину двутавровых балок с точностью от -0,76 до 0,88$ и швеллеров высотой 250 мм с точностью от -0,31 до 0,13%. В [3] приведен фотоэлектрический прибор для бесконтактного измерения длины движущихся слябов, предложенный фирмой " lows and LoLuupMln Steed Согр" (США).
Прибор имеет две группы измерительных фотоэлементов и один управляющий фотоэлемент. Фотоэлементы расположены вдоль рольганга, по которому движутся слябы. Расстояние между крайними фотоэлементами первой группы и соседними фотоэлементами второй группы равны (датчики точного и грубого отсчета). Слябы движутся от управляющего фотоэлемента к фотоэлементу первой группы, а затем к фотоэлементу второй группы. Фотоэлементы засвечиваются тепловым излучением слябов или лампочками, установленными на рольганге. Напряжение с измерительных фотоэлементов дифференцируется и подается на вентильные схемы, подключенные к триггерам. Когда передняя кромка сляба засвечивает фотоэлемент второй группы, то с выхода соответствующего триггера снимается положительное напряжение. Когда задняя кромка сляба проходит фотоэлемент первой группы, с выхода соответствующего триггера снимается положительное напряжение.
В [4] приводится устройство для автоматического измерения длины сортового проката и выбора программы раскроя, обеспечивающей получение балок заданной длины при минимальных отходах металла. Фирма-разработчик " nqdisrb ЗДееАгіе- Со L-bcL " (Англия). В устройстве фотоэлементы установлены вдоль рольганга.Одна группа фотоэлементов расположена до пилы горячего резания, вторая - после пилы.
Первая группа состоит из фотоэлементов, расположенных на равных расстояниях. Расстояние между крайними фотоэлементами второй группы равно расстоянию между соседними фотоэлементами первой группы.
Выходное напряжение преобразователя, пропорциональное длине балки, подается на вычислительное устройство, которое автоматически вычитает среднюю длину заднего обрезаемого конца и с помощью запоминающего устройства подбирает оптимальный вариант раскроя балки. Точность измерений зависит от расстояния между фотоэлементами второй группы.
В [ 5 ] описана фотоэлектрическая система для автоматического измерения длины горячих слябов в диапазоне 9 - 21 м с точностью до + 50 мм, разработанная фирмой "Ъал/и &па Unilect Ihs u-ment Ltd- " (Англия).
Система состоит из двух групп фотоэлементов, быстродействующего искателя, релейно-ламповой управляющей схемы и цифрового индикатора. Фототранзисторы установлены вдоль рольганга, по которому движутся слябы. Движущийся сляб последовательно засвечивает фототранзисторы первой, а затем второй групп. Первая группа используется для грубого измерения с погрешностью до 305 мм, вторая - для точного измерения. Выходные напряжения с фототранзисторов первой группы подаются на искатель. Ротор искателя имеет электромагнитный привод. Напряжение питания поступает на обмотку привода через релейно-ламповую управляющую схему. Счетные импульсы подаются на индикатор грубого отсчета с фототранзисторов, засвеченных задней кромкой сляба.
Экспериментальное и теоретическое исследование элементов и узлов систем с бесконтактными преобразователями длины, работа которых основана на корреляционных методах измерения
В основе данного метода заложено использование принципа неповторяемости вида поверхности или состава измеряемого тела в различных І расположенных на определенных дЬ а. расстояниях друг от друга, участках, которое принято за единицу измерения. Данное различие может быть выражено в виде неравномерности отраженного светового сигнала - фотокорреляционный метод измерений или неравномерного распределения магнитного поля - метод магнитной корреляции. Другие методы измерения корреляционных сигналов - такие, например, как местные измерения тепловых излучений, определение участков по электро- и звукопроводимости и др., для использования в данной области мало приемлемы в виду строгой специфичности объектов измерения. При фотокорреляционном методе измерения отраженные лучи света от поверхности измеряемого тела 4 (рис. 2.1.), освещаемые осветителем I посредством конденсаторов 7, 8 попадает на два идентичных светочувствительных элемента (ФТ) 2, 3, снабженных светооптическими системами 5, 6. Выходные потенциалы с ФТ (2,3) усиливаются усилителями фототока 9, 10 и через схемы разрешения (ждущие усилители) II, 12 поступают на вход преобразователей аналог - код 13, 15, последние отпираются и управляются генератором эталонной частоты ( Г„ ) 14. Выходы блоков 13,15 подаются на входы выходных регистров 16, 18, выходы последних подаются на входы схемы совпадения 17. Сброс регистра 16 осуществляется сигналом через схему сброса 21 от схемы совпадения 17; сброс регистра 18 осуществляется через схемы сброса 20 в промежутке между управляющими импульсами генератоpa 14. Импульсы совпадения от схемы 17 поступают на вход счетчика длины 19. Графическое изображение переходных процессов в данном ЦД приведено на рис.2.2.
Работа данного устройства протекает в следующей последовательности: свет от осветителя I через конденсаторы 7, 8 освещают одновременно два участка на поверхности измеряемого тела 4 -Л S і » & S б і отражаемые лучи от этих участков через светоопти-ческие системы 5, б поступают на светочувствительные элементы -фототранзисторы (ФТ) 2, 3, имеющие линейные характеристики во всем рабочем диапазоне возможных изменений освещенностей. Изменения фототока в ФТ, вызванные изменением освещенности из-за различной отражательной способности находящегося под светооптической системой участка А » , усиливаются усилителями 9, 10 и в виде аналоговых непрерывных сигналов поступают через схемы разрешения II, 12 на входы преобразователя аналог-код 13, 15 -Uai Ыпд. Схемы разрешения II, 12 и преобразователи аналог-код 13, 15 работают от импульсов генератора эталонной частоты ( Г0 ) lk 11 г0 . С частотой следования импульсов генератора Го ( 14 ) во входные регистры записывается информация с блоков 13, 14, которая также с частотой тГо сравнивается на схеме сравнения 17. При этом сброс регистра 16 осуществляется после поступления сигнала с блока 17 (после совпадения данных с регистров 16, 18 в схеме совпадения 17), а сброс регистра 18 осуществляется через блок 20 от промежутков между импульсами генератора Г0 . Одновременно наличием совпадения осуществляется управление счетчиком длины 19 - сигнал совпадения записывает очередную единицу длины в счетчик 19.
Выходные сигналы с усилителей согласно условию их идентичности схожи по характеру рДх) = F ( ) и смещены на время -о друг от друга. Из приведенного на рисунке графика значе ниє (величина) амплитуды сигнала повторится в значении времени
Это повторение означает, что данная точка (площадь ьS ) на поверхности измеряемого тела прошла расстояние между участками Л S - д S т.е. прошла участок длины L»s . Ясно, что зная количество участковLj, зафиксированное счетчиком импульсов 19, можно определить длину измеряемого тела где Mi - количество импульсов совпадения, сосчитанное счетчиком.
Точность работы данного преобразователя длины зависит от величины L , которая выбирается из соображения, что за время прохождения промежутка скорость движения измеряемого тела а последнее дает возможность сохранить характер аналогового сигнала, т.е. обеспечить максимальное совпадение графиков В Промежутке Ч о .
Дня обеспечения высокой точности измерения длины следует фиксировать отклонения амплитуд (картину корреляции) не в одной точке характеристики, а одновременно в нескольких точках, что даст возможность фиксировать одновременно с амплитудой и характер кривой. Реализацию приведенного можно осуществить различными методами: например, увеличением числа регистров выходных сигналов с преобразователей аналог-код и применением многовхо-довой схемы совпадения. Структурная схема данного ДД приведена на рис.2.3.Сигналы ФТ І, ФТ 2 усиливаются усилителями I, 2 и через схемы разрешения 3, 5 поступают на преобразователи аналог-код б, 7.
Иссвдование систем с устройствами обнаружения месторасположения сварных швов в процессе контроля движущегося проката и методы компен сации погрешностей, вызванных их прохождением
При определении параметров движущегося проката магнитными методами - например, при измерении длины или ширины методами магнитной корреляции или нанесением и считыванием локальных магнитных меток; для проката, имеющего большую протяженность и состоящего из скрепленных между собой отрезков, появляется погрешность за счет прохождения под считывающими устройствами - считывающими магнитными головками (СМГ) сварных швов, которые по причине неидентичности параметров с прокатом могут быть приняты СМГ за магнитные корреляционные сигналы или магнитные метки; если в первом случае погрешность измерения может быть увеличена на ширину места сварки (ширину сварного шва), во втором случае погрешность возрастет на одно базовое расстояние ( Ls ). Это особенно нежелательно при смещенном методе определения длины (ширины), где неправильность работы преобразователя малой дискретности в свою очередь приводит к возникновению погрешности в преобразователе, имеющем высокую дискретность. Для компенсации погрешности, вызванной прохождением сварного шва,необходимо решить ряд сложных, независимых задач, которые можно сформулировать в следующем виде: 1. Необходимо определить параметры, характеризующие магнитные свойства сварного шва, которыми он отличается от вокруг расположенного металла (проката); 2. Необходимо определить погрешности, сопутствующие выбранному методу обнаружения и измерения параметров сварного шва и разработать методы компенсации этой погрешности; 3. Разработка устройств компенсации погрешности измерения преобразователей в момент прохождения сварных швов под приемными устройствами.
Успешное решение этих задач дает возможность одновременно определить геометрические размеры и координаты расположения сварных швов на поверхности проката, что в свою очередь очень важно при технической реализации систем автоматического раскроя металла или полосы (САРМ или САРП). Параметры, характеризующие магнитные свойства сварного шва, основываются на свойстве материала шва намагничиваться под воздействием магнитного потока от намагничивающей магнитной головки Ф нмг и на экспериментальных исследованиях величины плотности магнитного потока от материала сварного шва и материала проката В сш, Вп при их равномерном намагничивании от НМГ. Ферромагнитные материалы, из которых изготовлены тело проката и сварного шва,могут быть как магнитомягкими, так и магни-тотвердыми. Первые, как известно, характеризуются более высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями на гистерезис (обладает малой коэрцитивной силой) в области слабых и средних магнитных полей - до области технического насыщения; а магнитотвер-дые материалы обладают относительно меньшей магнитной проницаемостью и большими гистерезисными потерями (большая коэрцитивная сила). Во всех случаях магнитные характеристики проката и сварного шва определяются опытным путем на образцах испытуемого материала.
При этом магнитные характеристики в сильной степени зависят от предшествующего магнитного состояния образца - от магнитной истории образца и от условий его намагничивания. Под условиями намагничивания в данном случае принимается в каком магнитном поле - постоянном или переменном происходит намагни чивание образцов. В отличие от устройств измерения длины, в которых определение параметров происходит в четко разграниченном режиме, т.е. намагниченные участки на поверхности проката сменяются ненамаг-ниченнымиили размагниченными участками, при определении границ проката с кромками сварного шва эта картина часто размыта и очень трудно различима, что вызвано малой разницей в магнитных свойствах испытуемых образцов проката и шва. Определение статистических магнитных характеристик материалов, т.е. характеристик при намагничивании постоянным магнитным полем, сводилось к определению магнитной индукции (или намагниченности) испытуемого отрезка проката со сварным швом и соответствующей ей напряженностью намагничивающего поля и магнитной энергии. Экспериментальные исследования проводились на стенде, на котором размещался образец проката, состоящий из двух идентичных по материалу половинок, скрепленных между собой сварным швом. Намагничивание как проката, так и сварного шва осуществлялось НМГ, а считывание информации - считывающей магнитной головкой (СМГ) при строго постоянной скорости и расстоянии от поверхности измеряемого тела до НМГ и СМГ, т.е. все параметры воздействия на испытуемые образцы в момент исследований были постоянными и выходные сигналы от СМГ зависели только от разности в магнитных свойствах измеряемых тел (проката и шва).
