автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительная система автоматического контроля параметров изделий машиностроения при массовом производстве

. 1 г

На правах рукописи

ЛЯЧЕНКОВ НИКОЛАЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

УДК 681.518:621.314.226.2

ИНФОРМАЦИОННО - ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ ПРИ МАССОВОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Специальность 05.11.16 - Информационно - измерительные системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара - 1997

Работа выполнена в АО "КОНВЕРСИЯ - ЛАДА - СЕРВИС"

Научный руководитель: действительный член Метрологической академии РФ доктор технических наук профессор Молотов П. Е.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Кричке В О.; кандидат технических наук, доцент ЛангеП.К.

Ведущая организация - ОАО "АвгоВАЗагрегат" (г. Тольятти)

Зашита состоится 1997 года в /3 часов на

заседании диссертационного совета Д.063.16.01 при Самарском государственном техническом университете по адресу: 443010, г.Самара, ул. Га-лактионовская, 141, ауд. 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета.

Автореферат разослан 1997 года

Ученый секретарь диссертационного совета Д.063.16.01 кандидат технических наук, доцент

В.Г.Жиров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышение производительности труда в машиностроении невозможно без автоматизации контрольно-измерительных операций, на которые по данным статистики расходуется до 10% рабочего времени. Автоматизация контрольно-измерительных операций способствует не только росту производительности труда, но и обеспечивает повышение качества продукции за счет получения объективной и своевременной измерительной информации. В машиностроении наибольший вес имеют измерения линейных размеров с допустимой погрешностью от 0,1 мм до 0,001 мм. До сих пор при измерении линейных размеров широко используется малопроизводительный ручной труд и ручной измерительных инструмент, к которому относятся: пггангельциркули, микрометры, измерительные скобы и измерительные головки и оптико-механические приборы.

В последние годы при массовом производстве изделий начинают широко использоваться автоматические обрабатывающие роторные линии (АРЛ), отличающиеся высокой производительностью, экономической эффективностью и минимальным использованием ручного труда в процессе обработки изделий.

Особенно ярко эта тенденция наблюдается в автомобильной промышленности. Крупнейшие предприятия , такие как ВАЗ, КАМАЗ, ГАЗ, при массовом производстве изделий начинают применять автоматические обрабатывающие роторные линии. Однако, контрольно-измерительные операции до сего времени выполняются вручную с помощью простейшего измерительного инструмента. Возможность появления субъективных ошибок измерения, а также несвоевременное обнаружение износа и поломок режущего инструмента приводят к появлению больших объемов бракованных изделий, а следовательно, к большим экономическим потерям. Возникающая диспропорция между высокой производительностью обрабатывающего оборудования и большими затратами времени на проведение контрольно-измерительных операций сдерживает рост эффективности производства.

Разработка контрольно-измерительных средств, обеспечивающих автоматизацию измерения линейных размеров изделий при массовом производстве, является актуальной задачей.

Целью настоящей работы является разработка и исследование методов построения информационно-измерительных систем (ИИС) контроля линейных размеров при массовом производстве изделий на автоматических обрабатывающих роторных линиях.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: 1. Проведен анализ современного состояния средств контроля измерения линейных размеров и тенденций их развития.

2. Разработана математическая модель объекта контроля, на основе которой определены такие основные параметры системы автоматического контроля, как точность, периодичность контроля и объем выборки.

3. Определены требования, предъявляемые к системе контроля при работе ее совместно с АРЛ.

4. Исследованы принципы построения систем автоматического контроля, на основе которых разработана структурная схема ИИС и алгоритм ее функционирования.

5. Разработана программа выборки контролируемых деталей, и определены условия, при которых контролируемые детали, поступающие со всех обрабатывающих узлов АРЛ.

6. Разработано устройство идентификации номера шпиндельного узла АРЛ, с которого деталь поступила на контроль.

7. Разработан механизм базирования контролируемой детали, исследован процесс взаимодействия детали с измерительными рычагами и определены условия контроля овальности детали.

8. Определены требования, предъявляемые к первичным измерительным преобразователям в системе автоматического контроля.

9. Экспериментально исследован оптоэлектронный преобразователя перемещений на основе полого световода с подвижным отражающим экраном и показана возможность его применения в САК.

10. Разработана математическая модель оптсэлектронного преобразователя перемещений на основе полого световода с подвижным отражающим экраном, на основе которой определены методы коррекции нелинейности функции преобразования.

11. Разработана конструкция ИИС контроля линейных размеров, особенностью которой является совмещение функций транспортирования и базирования в одном механизме, что позволило значительно упростить конструкцию ИИС.

12. Исследованы метрологические характеристики ИИС и проведены экспериментальные испытания, подтвердившие работоспособность системы.

Методы исследования основаны на использовании дифференциального исчисления, теории вероятностей и математической статистики, теории измерений, теории механизмов и машин, теории погрешностей. Больное внимание уделено вопросам экспериментальных исследований путем лабораторных и производственных испытаний.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1 Разработана классификация методов и средств контроля линейных размеров, на основе которой определены подходы к реализации контроля параметров изделий при обработке на АРЛ

2. Разработана математическая модель объекта контроля, на основе которой определены такие основные параметры системы контроля, как точность, периодичность и объем выборки.

3. Разработана классификация систем автоматического контроля и систематизированы принципы построения систем котроля линейных размеров.

4. Разработана теория выборки контролируемых деталей, позволившая определить условия, при которых на контроль будут поступать детали со всех шпиндельных узлов АР Л.

5. Выполнен анализ усилий, действующих на деталь в зоне контроля и определены условия базирования детали, обеспечивающие заданную точность контроля.

6. Разработана теория оптоэлектронного преобразователя перемещения на основе полого световода с подвижным отражающим экраном, позволившая оптимизировать конструкцию преобразователя и скорректировать нелинейность его характеристики.

7. Разработаны методы повышения точности ИИС контроля линейных размеров. Практическая ценность работы состоит в следующем:

- разработан оригинальный, простой по конструкции механизм, совмещающий в себе функции транспортировки и функции базирования контролируемой детали;

- разработан оптоэлектронный преобразователь перемещений на основе полого световода с подвижным отражающим экраном, отличающийся высокой надежностью и миниатюрностью;

- разработан механизм базирования контролируемой детали, позволяющий одновременно контролировать как линейные размеры детали, так и ее овальность;

- разработана цифровая система автоматического контроля линейных размеров, отличающаяся высокой точностью и помехоустойчивостью.

Реализация и внедрение результатов. Разработанная ИИС контроля линейных размеров при массовом производстве прошла производственные испытания при работе совместно с АРЛ на предприятиях ВАЗа и КАМАЗа и внедрена в АО АвтоВАЗ.

Апробация работы. Основные положения, теоретические исследования, выводы и результаты работы докладывались и обсуждались на Республиканской научно-технической конференции "Теория цепей и сигналов", г. Геленжик, 1996 г., на Научно-техническом совете Поволжского регионального КГЦ Метрологической академии РФ, на Научно-техническом совете АО "АвтоВАЗ", 1995 г., на Всесоюзной конференции "Информащюнно-измерительные системы", г. Москва, 1991 г., на Международной деловой встрече "Дигностика-94'\ г. Ялта, 1994 г.. Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, списка используемой литературы и приложения, содержит 143 страницы машинописного текста, 47 рисунков и 4 таблицы.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Классификация методов и средств измерения линейных размеров и выбор метода контроля, основанный на анализе современного состояния измерительной техники в этой области.

2. Математическая модель объекта контроля, разработанная на основе экспериментальных исследований методами математической статистики, и позволившая определить основные параметры системы автоматического контроля.

3. Систематизация принципов построения систем автоматического контроля линейных размеров, на основе которой разработана структура ИИС.

4. Разработанная теория выборок контролируемых изделий, учитывающая специфику конструкции и работы АРЛ.

5. Структурная схема ИИС, в которой применен асинхронный принцип управления, повышающий надежность ее работы.

6. Анализ уситий, действующих на деталь в зоне контроля, на основе которого определены условия надежного базирования детали и возможность одновременного контроля линейных размеров и овальности детали.

7. Теория оптоэлектронного преобразователя перемещений на основе полого световода с подвижным отражающим экраном, на основе которой разработан миниатюрный первичный преобразователь и определены методы коррекции нелинейности его характеристики.

8. Анализ метрологических характеристик ИИС и разработанные методы повышения ее точности.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе дан анализ методов и средств измерения линейных размеров и разработана математическая модель объекта контроля.

На основе анализа методов и средств измерения линейных размеров составлена классификация средств измерения, в которой показано что средства измерения линейных размеров можно разделить на два основных класса:

1. Средства измерения с механическим контактом и объемом измерения;

2. Средства измерения без механического контакта с объемом измерения. Первый класс средств измерений включает в себя механический измерительный инструмент, оптикомеханические и оптические проборы, а также средства измерения с преобразованием измеряемой величины в электрический сигнал.

В приборах второго класса, не имеющих механического контакта с объемом измерения, используются вспомогательные поля или вещества. К этому классу относятся пневматические, оптические, акустические, радиоволновые и радиационные средства измерений.

В работе дан детальный анализ средств измерений каждого класса и на основании патентно-технической информации сформулированы тенденции в развитии средств измерения линейных размеров.

С учетом условий обработки деталей на АРЛ наиболее эффективными являются контактные методы измерения линейных размеров с применением индуктивных, трансформаторных и оптоэлектронных измерительных преобразователей. Математическая модель объекта контроля, которым является толкатель клапана автомобильного двигателя, разработана с целью определения основных параметров системы автоматического контроля. Толкатель клапана после обработки считается годным, если контролируемые параметры: длина толкателя I , диаметр тарелки <1т и диаметр шейки ¡¡ш лежат в пределах поля допуска. При нормальном законе распределения погрешности обработки вероятность появления брака определяется выражением:

где У - симметричные границы поля допуска; а - среднего квадратичного отклонения погрешности; Фо - табулированный интеграт вероятностей.

Статистические характеристики контролируемых параметров I, с!т и <1щ определялись по результатам измерения этих параметров после обработки на АРЛ. Для определения закона распределения погрешности обработки и числовых характеристик этой погрешности по результатам измерений параметров деталей в каждой выборке строились гистограммы, по виду которых выдвигалась гипотеза о нормальном законе распределения плотности вероятностей погрешностей. По результатам статистических испытаний определены математические ожидания и среднеквадратические отклонения каждою контролируемого параметра. Установлено, что наибольшей дисперсией обладает параметр </щ (<х=0,06 мм) а наи-менышш параметр йт (<7=0,03 мм).

Статистическими методами проверена репрезентативность выборки и гипотеза о нормальном законе распределения пмрешностей обработки. Вероятность появления бракованной детали после обработки на АРЛ, с учетом дисперсии параметра составляет р^ =0,0014.

Для определения интенсивности износа режущего инструмента АРЛ периодически проводилась выборка из общего объема продукции и оценивались параметры контролируемых величин д^^ и •

Математические ожидания всех контролируемых величин имеют четкую тенденцию роста со временем, что объясняется износом режущего инструмента, вследствие чего появляется систематическая погрепшость Д с .

Среднеквадратические отклонения контролируемых величин со временем остаются постоянными, что свидетельствует о стабильности технологического процесса. Зависимость математического ожидания всех контролируемых величин от времени носит нелинейный характер и для ее аппроксимации выбран квадратичный полином, коэффициенты которого определялись методом наименьших квадратов.

Важнейшими параметрами системы автоматического контроля являются точность контроля, периодичность контроля, достоверность контроля и объем необходимой выборки. Погрепшость контроля приводит к появлению так называемых ошибок контроля 1-го и 2-го рода. Наиболее опасной является ошибка 2-го рода, то есть отнесение бракованной детали к годным. В работе получены зависимости вероятности появления ошибки 2-го рода от нормализованной погрешности контроля, которая определяется отклонением

М(х) =а +Ы +

где А д = Тв - Тн - поле допуска;

<У ( А) - среднеквадратическое отклонение погрешности контроля При Рг~ 10'4 имеем

а(М) =0,003 мм; сг(А(1г)=0,(Ш мм; 0,017 мм.

Следовательно, при контроле параметров толкателя клапана наиболее точно необходимо измерять параметр /, а наименьшая точность измерения предъявляется к параметру </ш-

В связи с высокой производительностью АРЛ невозможно осуществлять сплошной, стопроцентный кошроль обработанных изделий. В этом случае используется выборочный контроль, при организации которого необходимо определить интервал времени Д1 между выборками и объем выборки N.

Интервал времени между выборками обычно определяется с учетом статистической модели объекта контроля. Наибольшую скорость изменения имеет параметр ¿щ. По результатам вычислений 4г=1,82 суг. Объем выборки зависит от заданной надежности контроля, который определяется по вероятности появления ошибки 2-го рода, и от точности контроля. Найдено, что при Р=0,999 объем выборки должен быть не менее 13. Учитывая, что АРЛ имеет по шесть шпинделей на каждом роторе, объем выборки увеличивается в шесть раз. Второй раздел посвящен разработке структурной схемы и алгоритма функционирования ИИС.

ИИС, предназначенная для контроля параметров изделий после обработки АРЛ, относится к специализированным системам, многие функции которых определяются спецификой работы обрабатывающей роторной линии. Задачей ИИС является не только контроль параметров (¡т, 4и / обрабатываемых деталей, но и идентификация номера шпиндельного узла (режущего инструмента) и номера обрабатывающего ротора, нарушение режима работы которых стало причиной появления брака.

В задачу ИИС контроля входит выполнешге следующих основных операций: 1) выборка; 2) идентификация номера шпиндельного узла, после обработки на котором деталь поступила на контроль; 3) транспоргтировка детали в зону контроля; 4) базирование; 5) преобразование контролируемых величин в электрический сигнал; 6) формирование сигналов границ допуска; 7) сравнение сигналов; 8) индикация результатов контроля; 9) индикация номера шпиндельного узла АРЛ; 10) транспортировка детали из зоны контроля; 11) сортировка.

Для решения поставленных задач разработана классификация систем автоматического кошроля и систематизированы принципы построения систем контроля линейных размеров. В соответствии с задачами допускового контроля выбран метод кошроля, при котором нормы и контролируемые величины выражены отклонениями от номинальных значений, что позволило повысить точность контроля. Для обеспечения высокой помехоустойчивости и стабильности системы контроля выбрано цифровой сравнивающее устройство, а для повышения быстродействия система контроля имеет структуру параллельного действия.

При разработке ИИС контроля линейных размеров учитывались такие специфические принципы взаимодействия первичных измерительных преобразователей с объектом котроля, как принцип инверсии, принцип Тейлора, принцип Аббе.

На рисунке 1 представлена структурная схема разработанной ИИС.

ИИС содержит блок идентификации номера шпинделя роторной линии БИ, механизм выборки контролируемой детали МВ, транспортирующий механизм ТМ, измерительный блок ИБ и блок задания уставок границ допусков и индикации БУИ.

На рисунке схематично показан выходной транспортный ротор ВТР автоматической обрабатывающей роторной линии АР Л. На захватах ВТР установлены метки М1 - Мб и метка начала отсчета Мо. Блок идентификации БИ содержит датчик начала отсчета ДН, датчик меток захватов ДМ, триггер Т1, логический элемент И1, счетчик импульсов СИ и дешифратор ДШ.

При вращении выходного трансформаторного ротора ВТР под воздействием метки Мо датчик ДН устанавливает счетчик СИ в нулевое состояние, а триггер Т1 - в единичное состояние. Далее при прохождении каждого захвата ВТР около датчика ДМ с выхода последнего на вход СИ поступают импульсы, число которых соответствует номеру шпиндельного узла АР Л. Этот номер индицируется с помощью светового сигнала в БУИ.

После обработки на АРЛ детали выбираются механизмом МВ, содержащим поворотный лоток ПЛ, электромагнит ЭМ, ключ К1, управляемый делитель количества импульсов УД и задатчик объема выборки ЗВ. Посредством ЗВ устанавливается коэффициент деления УД, которым определяется, какая по счету деталь будет отправлена на контроль. Сигнал с выхода УД открывает ключ К1, вследствие чего срабатывает электромагнит ЭМ, поворачивающий лоток ПЛ, по которому деталь поступает в систему контроля.

Перемещение детали в зону контроля и ориентации ее относительно базовых измерительных поверхностей производится с помощью транспортирующего механизма ТМ, в состав которого входят транспортный ротор ТР, датчики положения контролируемой детали ДП1 - ДП5, электродвигатель с редуктором М, ключ К2, триггер Т2 и формирователь сигнала Ф.

Деталь, поступившая с помощью механизма выборки в систему контроля воздействует на датчик ДП1, который переводит триггер Т2 в единичное состояние, вследствие чего открывается ключ К2 и запускается электродвигатель М, приводящий во вращение транспортный ротор ТР. Спицы транспортного ротора

Структурная схема ИИС

Рис.1

захватывают контролируемую деталь и перемещают ее в вертикальном положении в зону контроля. После установки детали на базовых измерительных поверхностях срабатывает датчик Д2, переводящий триггер Т2 в нулевое состояние, вследствие чего ТР останавливается. Одновременно формирователь Ф генерирует сигнал, запускающий измерительный блок ИБ и блок уставок и индикации

Измерительный блок содержит датчик длины толкателя ДЦ, датчик диаметра тарелки толкателя ДДТ и датчик диаметра шейки ДДТТТ. Сигналы с этих датчиков поступают в БУИ, в состав которого входят индикатор номера шпинделя ИНШ, задатчик объема выборки ЗВ, задатчики нижних границ допуска ЗНГ, задатчики верхних границ допуска ЗВГ, устройства сравнения УС1 и УС2 и индикаторы выхода контролируемых размеров за нижние ИН и верхние ИВ границы допуска. Аналогичные элементы используются для контроля двух других параметров Лт, и ¿ш •

В разработанной ИИС контроля линейных размеров используется асинхронный принцип управления, при котором выполнение следующей операции начинается только после того, как закончится предыдущая операция. Отсутствие жесткой программы управления позволило повысить надежность системы и снизить вероятность поломок механических узлов из-за возможного сбоя отдельный элементов.

Специфика конструкции АРЛ заключается в том, что каждый из двух обрабатывающих роторов имеет по шесть шпиндельных узлов, в которые последовательно загружаются детали для обработки. Выборка должна быть спланирована таким образом, чтобы детали на контроль поступали последовательно со всех шпиндельных узлов. Не при всех значениях коэффициента УД это условие будет выполняться.

Объем выборки определяется выражением:

где лк - число контролируемых деталей за некоторое время работы АРЛ; п - общее число обработанных деталей за то же время. Учитывая, что выполняется соотношение

БУИ.

где Кд - коэффициент деления УД,

получим

ДГ = 1 100%,

Кд

Номер шпиндельного узла можно определить рекуррентной формулой: ап, =а,+0и-1),

где щ - номер первого шпиндельного узла; т - порядковый номер шпиндельного узла.

На основании методов комбинаторики выведена формула, определяющая разрешенные значения Кд, при которых детали на контроль будут выбираться последовательно со всех шпиндельных узлов:

Кд=ратта±1

где р - целое число, отсюда:

100%

N =-

Рат так 11

С помощью этого выражения получена последовательность разрешенных значений Кд.

Важнейшей задачей, решаемой при разработке систем контроля линейных размеров, является выбор схемы базирование контролируемой детали на измерительных поверхностях. В работе дан анализ возможных схем базирования. ИИС контролирует одновременно три параметра, при этом при контроле параметров Лт и / используется схема базирования относительно плоскости, а при контроле параметра с1т - схема базирования в измерительной скобе.

Разработанный транспортирующий механизм выполняет следующие операции:

- перемещение детали в зону контроля;

- базирование детали на базовых измерительных поверхностях;

- поворот детали на 90° вокруг своей оси для контроля овальности;

- удаление детали из зоны контроля.

Контролируемая деталь в зоне контроля движется поступательно между боковых направляющих под действием спиц транспортного ротора. На основе анализа этого механизма получено выражение, определяющее зависимость между

углом поворота контролируемой детали (р и углом поворота спицы транспортного ротора ¡3 , измеряемым от ее начального положения (X н:

1

1 а

-<р-

-ан,

4<*н а а)

где <1 - диаметр контролируемой детали; а - расстояние от центра вращения ротора до траектории движения детали.

Для передачи контролируемых размеров на измерительные штоки датчиков используются измерительные рычага, обеспечивающие линейный контакт с поверхностью контролируемой детали. При этом измерительные рычаги, предназначенные для передачи контролируемого размера «4п, являются "плавающими", то есть имеющими возможность смещаться в вертикальном и горизонтальном направлениях, что обеспечивает восприятие минимального диаметра шейки толкателя, как и определено техническими условиями контроля. В работе дана оценка погрешности передачи контролируемых размеров измерительными расчетами и выполнен анализ измерительных усилий, действующих на контролируемую деталь и моментов сил сопротивления в зоне контроля.

Третий раздел посвящен разработке и исследованию первичных измерительных преобразователей.

Измерительные рычаги, посредством которых измерительные преобразователи взаимодействуют с объектом контроля, пространственно совмещены, чем достигается простота базирования и ускоряется процесс контроля. Однако, пространственное совмещение измерительных рычагов требует и пространственного совмещения измерительных преобразователей для реализации принципа Аббе. Большие габариты измерительных преобразователей затрудняют решение этой задачи. Кроме того, для минимизации сил инерции подвижных элементов измерительные преобразователи должны обладать и малой массой. Особенно жестко это требование предъявляется к измерительному преобразователю ¿ш, так как этот преобразователь устанавливается на "плавающих" измерительных рычагах и не должен создавать дополнительных измерительных усилий на объект контроля. Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют опгоэлектронные измерительные преобразователи на основе полых световодов (ОППС). Экспериментально исследован модернизированный ОППС с подвижным отражающим экраном, от

личающийся высокой надежностью. Установлено, что функция преобразования ОППС с подвижным экраном имеет два характерных участка, отличающихся между собой диапазонами преобразования и чувствительностью. Первый участок, имеющий высокую чувствительность и монотонно-возрастающую характеристику, может быть использован для измерения малых перемещений в диапазоне 0,52.0 мм. Второй участок имеет монотонно-падающую характеристику и используется для измерения больших перемещений.

Для оценки метрологических характеристик ОППС с подвижным экраном функция преобразования на первом участке аппроксимировалась полиномом вида

и^(1^а^аг1х-аг12х >

а на втором участке - гиперболической функцией

иМ = а^ ттг •

/о + IX

Коэффициенты аппроксимирующих выражений найдены с помощь. ЭВМ методом наименьших квадратов.

Экспериментальные исследования метрологических характеристик ОППС с подвижным экраном показали возможность его использования в системе автоматического контроля. Однако ОППС с подвижным экраном имел существенный недостаток, связанный с большой нелинейностью характеристики. В диапазоне перемещения 1 мм нелинейность составила 7,03%.

Для разработки методов коррекции нелинейности функции преобразования ОППС с подвижным отражающим экраном составлена его математическая модель, в которой на первом участке функции преобразования учитывается диаграмма направленности излучения светодиода.

Если расстояние между осями светодиода и фотоприешшка обозначить - а, то выражение для освещенности фотоприемника имеет вид:

4 (/„ + /,) 2(/о + /х)

где к0 - коэффициент отражения подвижного экрана; Jм - максимальная сила света источника излучения; 1о - начало отсчета;

/л - измеряемое перемещение экрана;

Ь - коэффициент аппроксимации диаграммы направленности излучения свего-диода.

Анализ этого выражения показывает, что нелинейность функции преобразования на первом участке можно уменьшить путем увеличения освещенности фотоприемника в конце этого участка. Для увеличения освещешюсти фотоприемника в конце диапазона преобразования разработаны следующие методы:

1) поворот оси фотоприемника в сторону светодиода на угол а,

2) поворот оси источника излучения в сторону фотоприемника на утол Д

3) поворот плоскости отражающего экрана на угол у относительно оси световода. Конструктивно наиболее просто реализуется первый и второй методы, причем, наибольшая эффективность достигается при одновременном их применении. Функция преобразовшшя после введения коррекции нелинейности имеет вид:

£Ш=

к ф к, щ! &

4 (/„ + /,У

-огс^

а

Л1Х млх)

Соя

arctg

-ехр-

а

Ъ агс>ё

а

2 (/„ + /,) а

где кф - коэффициент преобразования фотоприемника.

Нелинейность скорректированной функции преобразования не превышает 0,2%. Линеаризировать функцию преобразования на втором участке путем формирования светового потока, как было выполнено на первом участке, не удается, поэтому был применен другой метод линеаризации, основанный на включении ОППС в цепь уравновешивающего преобразования. Функция преобразования цепи уравновешивающего преобразования имеет вид:

/ ч к\и0-к{д), у шхЧх) к,к2к,Ь [1° 1х)

где /с/, к2, кз - коэффициенты усиления усилителей; к4 - коэффициент преобразования светодиода; и о - опорное напряжение; а,Ь - коэффициенты аппроксимации.

Измерительная цепь в этом случае представляет собой следящую систему статического типа, у которой при персмещешш отражающего экрана световой поток регулируется автоматически таким образом, чтобы обеспечить постоянство освещенности фотоприемника.

В четвертом разделе рассматриваются вопросы реализации отдельных узлов и конструкции ИИС в целом.

ИИС контроля функционально делится на три основных блока:

1) блок измерительных преобразователей;

2) блок уставок и индикации результатов контроля;

3) блок механизмов выборки, транспортировки, базирования и сортировки.

Блок измерительных преобразователей включает в себя два первичных трансформаторных преобразователя перемещения, один оптоэлектронный преобразователь перемещений, предназначенные для преобразования соответствешю величин (1т, dni и / в электрический сигнал, нормирующие преобразователи, используемые для получения стандартных напряжений на выходах измерительных каналов, и измерительные преобразователи "напряжение-частота".

Блок уставок и индикации результатов контроля содержит задатчик уставок, с помощью которого устанавливаются нижняя и верхняя границы допуска по каждому контролируемому параметру, задатчик объема выборки, устройство сравнения, устройство идентификации номера шпиндельного узла, индикатор результатов контроля и устройство управления.

Конструктивно блок механизмов выборки, транспортировки, базирования и сортировки и блок измерительных преобразователей объединены в единый модуль контроля, который устанавливается на выходе автоматической обрабатывающей роторной линии АРЛ и связывается с ней подающим лотком.

Блок уставок и индикации результатов контроля выполнен в виде переносного пульта, который устанавливается рядом с АРЛ в удобном для наблюдения оператором месте. Модуль контроля и блок уставок и индикации результатов контроля соединены между собой кабелем, по которому передаются измерительные сигналы и сигналы управления механизмами.

Особенность разработанного модуля контроля заключается в том, что функции транспортирования и базирования выполняются одним механизмом, что значительно упрощает конструкцию модуля и сокращает процесс ориентировшшя деталей относительно базовых поверхностей.

Контролируемая деталь, поступившая в зону контроля, ориентируется боковыми направляющими вертикально, перемещается прямолинейно под действием спиц транспортного ротора и вступает в механический контакт с измерительными рычагами, воспринимающими контролируемые параметры dr и dm. По окончании первой контрольной операции деталь перемещается прямолинейно, при этом под действием сил трети она поворачивается 90°. После остановки детали вто

рично производится контроль параметров йт и </ш , по результатам которого определяется овальность детали.

При дальнейшем перемещении деталь входит в соприкосновение с измерительным рычагом, свободный конец которого имеет коромыслообразную форму. Благодаря такой форме рычаг опускается на дно тарелки толкателя клапана и преобразует значение контролируемого параметра / в перемещение измерительного штока трансформаторного измерительного преобразователя.

На передней панели блока уставок и индикации результатов контроля установлены: цифровые задатчики верхней и нижней границы допусков значений параметров </г, 4и I, индикаторы выхода значений контролируемых параметров за границы допуска, индикаторы номера обрабатывающего узла АР Л, из которого поступила бракованная деталь, задатчик объема выборки и органы управления ИИС. Цифровые задатчики барабанного типа позволяют устанавливать границы допусков в пределе« от 0 до 0,99 с дискретностью в 0,01 мм. На выходе задатчи-ков формируется десятичный двухразрядный код, поступающий на цифровое устройство сравнения.

В разработанной ИИС для контроля параметров ¿т и / применен измерительный трансформаторный преобразователь перемещений, выпускаемый серийно отечественной промышленностью. Особенностью конструкции является то, что ферромагнитный стержень не имеют направляющих скольжения и закреплен непосредственно на измерительном рычаге, что позволило исключить влияние сил трения, скольжения и погрешности преобразования, обусловленные этими силами.

Для контроля параметра с/щ используется оптоэлектронный преобразователь перемещений на основе полого световода с подвижным отражающим экраном. В работе приводится конструкция этого преобразователя и схема его включения в измерительную цепь.

Пятый раздел посвящен исследованию метрологических характеристик ИИС и разработке методов повышения точности.

Для анализа погрешностей ИИС разработана информационная модель, на основе которой установлено, что источниками погрешностей контроля являются механизмы базирования, измерительные рычаги, измерительные каналы, аналого-цифровые преобразователи, задатчики границ допуска и сравнивающие устройства.

Погрешности базирования связаны с неточностью установки детали в зоне контроля и с возможным перекосом относительно базовых измерительных поверхностей. Неточность установки детали в зоне контроля исследовалась экспериментально путем измерения микрометром положения детали относительно заданной точки базирования при многократном подведении детали в эту точку. Неточность установки контролируемой детали трансформируется измерительны

ми рычагами в погрешность передачи контролируемых размеров (1-г, (¡т , и не сказывается на передаче размера I. Эта погрешность носит мультипликативный характер и имеет максимальное значение Ау = 0,005 мм.

Перекос детали в зоне контроля может появиться из-за неточности изготовления элементов транспортирующего механизма. При монтаже боковых направляющих и спиц транспортного ротора установка их отаосительно базовой поверхности проверяется угломером с погрешностью ±2". Отклонение оси детали от нормали к базовой поверхности на этот угол приводит к появлению погрешности передачи размера равной 0,0064 мм и пренебрежимо малой погрешности передачи размеров </г и </ш . Эти погрешности являются аддитивными.

Измерительные рычаги, обеспечивающие плоскостной контакт с поверхностью контролируемой детали, вместе с тем являются промежуточным звеном между контролируемой деталью и первичными измерительными преобразователями и вносят погрешность в передачу контролируемых размеров этим преобразователем. Длина рычагов выбрана такой, чтобы при перемещении детали в зоне контроля на 20 мм, необходимым для поворота детали на 90°, эта погрешность не превосходила 0,1%. При такой длине рычагов погрешность передачи контролируемых размеров , возникающая из-за неточной установки детали в зоне контроля в пределах ±2 мм ничтожно мата может на учитываться.

В работе приведен анализ погрешности, возникающей при передаче размера вследствие перекоса детали, вызванного отклонением контролируемого параметра с1т от номинального значения. Максимальное значение этой погрешности, которая является случайной и аддитивной, составляет 0,00012 мм.

Погрешности измерительных каналов, в которые входят первичные измерительные преобразователи перемещений, нормирующие преобразователи и преобразователи "напряжение-частота", исследовались экспериментально с помощью установки, содержащей микрометр и частотомер.

При многократном исследовании зависимости/ = Д/) оценивались систематическая составляющая, среднеквадратические отклонения случайной составляющей и максимальные значения общей погрешности каждого измерительного канала.

Максимальное значение погреплтости измерительного канала, содержащего ДТПП, составляет +2 мкм, а содержащего ОППС - ±5 мкм.

Погрешность цифрового задатчика границ допуска и цифрового сравшшаю-щего устройства определяется только выбранной единицей младшего разряда и составляет ±0,005 мм.

При суммировании погрешностей учитывался характер распределения погрешности по диапазону измерения.

Суммарная погрешность ИИС при контроле параметров / и ¿г превосходит

0.01.мм и не превосходит 0,02 мм при контроле параметра (1щ.

В работе рассмотрены методы повышения точности ИИС и приведены результаты производственных испытаний, показавшие работоспособность системы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ методов и средств измерения линейных размеров и разработана классификация средств измерений, на основе которых установлены тенденции развития средств измерения линейных размеров и выбран контактный метод измерения с преобразованием измеряемой величины в электрический сигнал.

2. Разработана математическая модель объекта контроля, на основе которой методами математической статистики определены основные параметры системы контроля, требуемая точность, периодичность контроля и объем выборки, обеспечивающие заданную надежность контроля.

3. Определены основные функции ИИС и последовательность выполнения операций при автоматическом контроле изделия после обработки их на АРЛ. Разработана классификация и сформулированы основные принципы построения систем автоматического контроля линейных размеров.

4. Разработана структурная схема и алгоритм функционирования ИИС, в которой для повышения надежности работы применен асинхронный принцип управления.

5. Разработана программа выборки и определены условия, при которых контролируемые детали поступают последовательно со всех шпиндельных узлов АРЛ.

6. Исследован процесс взаимодействия контролируемой детали с измерительными элементами, выполнен анализ усилий, действующих на деталь в зоне контроля.

7. Разработана математическая модель опгоэлектронного преобразователя перемещений на основе полого световода с подвижным отражающим экраном, на основе которой определены методы коррекции нелинейности функции преобразования и разработана конструкция миниатюрного преобразователя перемещений, обладающего малой массой.

8. Разработана конструкция ИИС, в которой применен транспортирующий механизм, совмещающий в себе функции транспортирования и базирования, что позволило повысить надежность работы системы.

9. Исследованы метрологические характеристики ИИС и проведены производственные испытания, показавшие хорошую работоспособность системы. Разработаны методы повышения точности ИИС.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

¡.Ляченков Н.В-, Кузнецов В. А. Специализированная информационно-измерительная система для контроля линейных размеров при массовом производстве изделий / Дел. в ВИНИТИ № 3429-В96. - 1996. - 9с.

2. Ляченков Н.В., Кузнецов В.А. Автоматическая коррекция погрешностей при измерении линейных размеров изделий / Деп в ВИНИТИ № 3428-В96. -

3. Ляченков Н.В. Обработка сигналов в информационно-измерительных системах стендового оборудования автомобилестроения. Тезисы докладов Республиканской научно-технической конференции "Теория цепей и сигналов", г. Геленжик,

1996.-е. 38.

4. Ляченков В.А., Кузнецов В.А..Волков Ю.В. Современные оптоэлектронные преобразователи перемещений для автоматизированных информационных систем. Труды научно-технической конференции "Исследование в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды", - Самара,

1997.-с. 68.

5. Ляченков Н.В. Исследование и разработка оптоэлектронных преобразователей перемещений на основе полых световодов. Труды Поволжского регионального центра Метрологической академии РФ. - Самара, 1996. - с 75-96.

6. Ляченков Н.В. Определение параметров автоматического контроля линейных размеров при массовом производстве изделий. Труды Поволжского регионального центра Метрологической академии РФ. - Самара, 1996. с. 97-112.

7. Ляченков Н.В. Исследование огггоэлекгронного преобразователя перемещений на основе полого световода с подвижным отражающим экраном / Деп. в ВИНИТИ №595-В97,- 1997. - 9с.

8. Ляченков Н.В. Определение параметров системы автоматического контроля линейных размеров после обработки на автоматической роторной линии / Деп. в ВИНИТИ №596-В97. -1997. - 7с.

9. Ляченков Н.В., Зеленский А.В., Молотов П.Е. Прогнозирование параметров конструкций и технологических процессов. Учебное пособие. Самарский Аэрокосмический университет. - Самара, 1997. - 12с.

1996.-9с.