Белгород, Белгородская область, Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
ВАК 05.17.00 Химическая технология
ВАК 05.23.00 Строительство и архитектура
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
В статье рассмотрены вопросы, связанные с определением основных характеристик устройства для автоматизированного бесконтактного контроля круглости радиусных поверхностей качения подшипниковых опор буровых долот с применением ПЗС-матриц (сокр. от «прибор с зарядовой связью»). В частности, теоретически, а затем и экспериментально устанавливается минимальное допустимое количество проекций при идентификации геометрии поверхности качения лапы шарошечного долота. При этом конечным результатом экспериментального исследования является не только найденное минимальное количество позиций, в которых происходит фиксирование проекции необходимого элемента геометрии контролируемого объекта, но и необходимая частота его вращения. Таким образом, определив характеристики устройства для автоматизированного бесконтактного контроля и синхронизируя фиксацию ПЗС-матрицей изображения с частотой вращения объекта, возможна реализация на практике как предложенного устройства, так и аналогичных устройств, используемых для контроля профилей отдельных элементов деталей типа – тел вращения.
бесконтактный контроль, автоматизация, долото, дорожка качения, ПЗС-матрица
Введение. В производственном процессе получения различных изделий практически все этапы механической обработки деталей тесно связаны с контрольными операциями. Неоспоримым является тот факт, что около 15–20 % от себестоимости готовой продукции составляют затраты на контроль [1]. Следовательно, появляется одна из основных задач – снижение себестоимости при неизменном уровне качества изготавливаемых изделий. Решение этой задачи авторы видят в разработке новых методов и средств контроля, которые позволили бы снизить если не значительную часть себестоимости, то большую часть финансовых затрат на претензии от потребителей конечного продукта, что в конечном итоге через определенный срок позволило бы окупить стоимость модернизации рабочих мест, на которых происходит контроль. В частности, предлагается модернизировать [2, 3] производственную систему получения бурового инструмента путем интеграции в нее специального устройства для автоматизированного бесконтактного контроля геометрии поверхности качения лапы бурового долота. Такой вариант, по мнению авторов, является наиболее целесообразным, еще и потому, что разработка методов и средств бесконтактного определения формы в настоящее время является одним из самых перспективных направлений в области не только машиностроения, но и приборостроения [4]. Также авторами накоплен определенный опыт в разработке и реализации подобных устройств и приборов для контроля геометрических характеристик деталей [5]
Основная часть. Дорожка качения лапы представляет из себя поверхность, образованную вращением профиля, имеющего форму дуги, вокруг оси канавки. На рис. 1 показана часть лапы с дорожкой качения.
Рис. 1. Дорожка качения лапы трехшарошечного
долота
Для определения геометрии поверхности качения предлагается применить метод бесконтактного контроля, основанный на анализе проекций, полученных в результате покадровой фиксации изображения дорожки качения лапы бурового долота при помощи ПЗС-матрицы и специально разработанного ПО. Схема метода бесконтактного контроля круглости дорожки качения изображена на рис. 2.
Рис. 2. Метод бесконтактного контроля круглости дорожки качения
Для реализации ПО были разработаны алгоритмы, один из которых подробно описан в [6]. Оба алгоритма реализованы на основе методов бесконтактного контроля, основанных на анализе конвертированного изображения, в одном случае – это пиксельное изображение реальной оси дорожки качения, данный алгоритм необходим для выверки измерительной оси контрольного устройства; в другом – пиксельное изображение профиля дорожки качения, этот алгоритм служит для определения отклонения от круглости.
Подробнее остановимся на алгоритме контроля круглости. В результате его функционирования возможно проконтролировать геометрию дорожек качения в одном сечении лапы. При этом основной является задача определения минимального допустимого количества позиций (сечений) для обеспечения достоверности результатов такого контроля [7].
Так как канавка представляет собой поверхность вращения, образующей которой является дуга, то для полного представления об отклонении от круглости следует фиксировать его в каждом продольном сечении канавки. Эксперимент по определению минимального количества позиций проведем следующим образом. Для этого закрепим лапу в зажимном приспособлении и произведем поворот детали на 360°, то есть сделаем один оборот вокруг оси вращения лапы. Количество позиций предварительно определим из следующего условия: число позиций выбираем кратное двум для того, чтобы провести оценку в двух противоположных позициях независимо от общего количества измерений, тем самым получая результат отклонения на двух равноудаленных от оси вращения лапы точках. Таким образом, произведем серию измерений с количеством позиций контроля – 2, 4, 8...128. Измерения с таким же количеством позиций повторим вручную известными контрольными приборами для определения геометрических параметров дорожек качения. Результаты эксперимента сведем в табл. 1.
Построим графики измеренного предложенным методом и вручную отклонения от круглости и представим их на рис. 3.
Из построенных графиков видно, что наибольшая сходимость значений отклонения от круглости наблюдается на участке между 32 и 64 позициями. Выполнив трассировку значений с помощью пакета MathCAD, была найдена точка в которой пересекаются графики, аргументов которой является значение равное 62 позициям. При этом допуском на измерение отклонения от круглости считаем TΔ изм. =0,025 мм, при котором оценка происходит за 62 позиции.
Таблица 1
Полученные значения отклонения от круглости в зависимости от количества позиций
контроля
|
Количество позиций |
2 |
4 |
8 |
16 |
32 |
64 |
128 |
|
Измеренное предложенным способом отклонение от круглости, мм |
0,031 |
0,027 |
0,026 |
0,026 |
0,025 |
0,025 |
0,025 |
|
Измеренное вручную отклонение от круглости, мм |
0,025 |
0,022 |
0,024 |
0,025 |
0,024 |
0,025 |
0,026 |
Рис. 3. График количества измерений отклонения от круглости за один оборот детали
Однако для установления более точного минимально допустимого количества измерений, следует провести процедуру аналогичную описанной выше, но уже с количеством позиций 32…64, при этом каждый раз разбивая этот интервал на два одинаковых по разнице. Производим контроль с количеством позиций 32…48 и 48…64, далее в зависимости от того на каком участке пересекутся графики разбиваем необходимый также на два участка – либо 32…40 и
40 … 48, либо 48…56 и 56…64 и т.д., продолжая определять на каком участке графиков наблюдается наибольшая их сходимость и определяя пересечение. Было экспериментально получено минимально допустимое количество измерений (позиций) Nизм=58 при соответствующем допуске на измерение TΔизм=0,025 мм, а также для заданной размерности пикселя ПЗС-матрицы, расстояния до объекта, данной оптической системы и других условий, влияющих на процесс контроля.
Определив минимальное допустимое количество позиций контроля, необходимо определить значение частоты вращения лапы, при котором его результаты будут достоверными. Эта физическая величина напрямую зависит от количества измерений Nизм, а также от допуска на измерения TΔизм. При этом должно выполняться следующее условие (1):
Nизм.об. ≥ Nизм, (1)
то есть найденное экспериментально количество позиций Nизм не должно превышать количества позиций за оборот детали Nизм.об.
Таким образом, в зависимости от полученного допуска TΔизм определим теоретически какое минимальное количество позиций требуется для обеспечения необходимой точности, а также достоверности контроля. Для этого сформулируем еще одно условие обеспечения достоверности: при съемке видимая часть дорожки катания не должна выходить за допуск на измерение TΔизм. Наглядно изобразим данное условие на рис. 4.
Рис. 4. Условие для обеспечения достоверности
результатов контроля круглости дорожки качения: AA1 = TΔизм – допуск на измерения, мм;
OB= d/2–радиус канавки по впадине, мм; γ–угол
поворота на следующую позицию, °;
O – ортогональная проекция оси вращения лапы на плоскость её поперечного сечения
Исходя из известных тригонометрических функций получим модель (2) для определения позиций контроля за один оборот детали.
(2)
Подставив в выражение (2) известные значения переменных, получаем Nизм.об.=180, то есть условие (1) выполняется и достоверность контроля обеспечена.
Далее найдем значение частоты, с которой должен вращаться контролируемый объект в процессе измерений. Для этого необходимо определить время оборота детали tоб, которое также является периодом вращения детали. Подобный расчет проведены авторами в работе [8]. Время выполнения измерений в одной позиции обозначим tизм. При этом появляется еще одно условие (3) для обеспечения достоверности контроля:
tоб ≥ tизм·Nизм.об., (3)
то есть за время одного оборота должно пройти такое количество измерений, чтобы общее время измерений не превысило значение периода вращения.
Для обеспечения достоверности проведем серию измерений для определения среднего значения времени измерений в одной позиции tизм.ср.. Сведем результаты эксперимента в табл. 2.
Таким образом величину tизм можно получить из выражения (4):
(4)
Отсюда: tизм=1,44 с. Подставляем это значение и Nизм.об. в выражение (3) и получаем tоб=259,2с.
Частота вращения υ является физической величиной (5), обратной периоду вращения:
υ=1/tоб (5)
Получаем значение частоты вращения, равное υ=0,004 об/с.
Таблица 2
Средние значения времени контроля tизм.ср.. в одной позиции измерений
|
№ серии |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
Nизм. |
2 |
4 |
8 |
16 |
32 |
64 |
128 |
|
tизм.ср., с |
1,45 |
1,43 |
1,45 |
1,44 |
1,45 |
1,46 |
1,45 |
Выводы. Экспериментально установлено минимальное допустимое количество позиций контроля, а также доказано, что это значение обеспечивает достоверность автоматизированного бесконтактного контроля при найденной частоте вращения контролируемого объекта. Таким образом, синхронизируя частоту фиксации проекций профиля поверхности на ПЗС-матрицу с частотой вращения детали, обеспечивается требуемая точность измерений и становится возможной реализация устройства для автоматизированного бесконтактного контроля формы дорожек качения.
1. Соломенцев Ю.М., Павлов В.В. Моделирование производительных систем в машиностроении: монография. М.: Янус-К, 2010. 228 с.
2. Тетерина И.А., Блудов А.Н., Табекина Н.А. Модернизация оборудования и технологического процесса восстановления колес железнодорожного транспорта // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2014. № 4. С. 96-100.
3. Маслова И.В., Блудов А.Н. Обоснование использования управляемого процесса при восстановлении формы крупногабаритного тела вращения, не имеющей стационарную ось вращения // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2012. № 3. С.76-79.
4. Миронченко В.И. Автоматизация контроля геометрических параметров изделий. М.: ГосНИП "Расчет", 2011. 208 с.
5. Пат. 121362, МПК G01B11/00. Лазерное устройство для определения погрешности формы крупногабаритных объектов. / Б.С. Четвериков, М.С. Чепчуров, А.Н. Блудов; заявитель и патентообладатель БГТУ им. В.Г. Шухова - №2012126282/28, заявл. 22.06.12, опубл. 20.10.12, бюл. №29. 7 с.
6. Четвериков Б.С., Чепчуров М.С. Автоматизация процесса оценки точности канавки катания при изготовлении лапы бурового долота // Информационные системы и технологии. 2015. № 4. С. 82-89.
7. Чепчуров М.С. Контроль и регистрация параметров механической обработки крупногабаритных деталей: монография. Белгород: Изд-во БГТУ, 2008. 232 с.
8. Chetverikov B.S., Chepchurov M.S., Pogonin D.A. Definition of shape and position of complex geometric surfaces // World Applied Sciences Journal. 2014. Vol. 31. № 4. P. 526-530.
