автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Технологический контроль диаметра и эксцентричности электрического кабеля в процессе производства

Фёдоров Евгений Михайлович

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ДИАМЕТРА И ЭКСЦЕНТРИЧНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ В ПРОЦЕССЕ ПРОИЗВОДСТВА

Специальность 05.11.13. - «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 2 ДЕК 2010

Томск-2010

004615443

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук

Гольдштейн Александр Ефремович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Смирнов Геннадий Васильевич

кандидат технических наук, Калганов Сергей Александрович

Ведущая организация: Федеральное государственное учреждение

«Томский центр стандартизации, метрологии и сертификации». 634012, Косарева ул., д. 17-а, г. Томск

Защита состоится 21 декабря 2010 года в 15 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.09 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу: Россия, 634028, г. Томск, ул. Савиных д.7, институт неразрушающего контроля, зал заседаний 2-й этаж.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу: г. Томск ул. Белинского, д. 53.

Автореферат разослан « Н » ноября 2010 года

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.09,

кандидат технических наук, доцент

/ -----Б.Б. Винокуров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационной работы. Кабели и провода это важнейшие изделия, без которых невозможно представить современную повседневную жизнь общества. Кабельная промышленность одна из ведущих и наиболее бурно развивающихся отраслей народного хозяйства. Номенклатура кабельных изделий очень разнообразна. При этом главным критерием при производстве кабельных изделий выступает их качество. Сведение выхода брака к минимуму достигается посредством совершенствования технологии контроля основных параметров изделия в процессе производства и автоматизацией технологических процессов.

Качество кабельных изделий характеризуется различными геометрическими и электрическими параметрами, как правило, связанными друг с другом. Для проводов, изолированных жил, кабелей круглого сечения одними из наиболее важных геометрических параметров являются наружный диаметр, овальность и эксцентричность. Измерение этих параметров должно происходить в режиме реального времени непосредственно в технологическом процессе. Различные технологические процессы изготовления кабельных и других протяжённых изделий включают в себя перемещение полуфабрикатов и готовой продукции со скоростями от 8 -10 метров в минуту (эмалирование) до 1000 метров в минуту (волочение). Температура контролируемых объектов также имеет различные значения - от нескольких десятков до нескольких сотен градусов. Контролируемые изделия имеют поперечные размеры от долей миллиметра до нескольких десятков сантиметров и требуют измерения с различной точностью.

В настоящее время для контроля геометрических размеров проводов и кабелей разработан довольно широкий спектр приборов и устройств различных типов. Существующие зарубежные аналоги подобных устройств при хороших метрологических характеристиках по совокупности технических, экономических и эксплуатационных параметров не в полной мере удовлетворяют требованиям производства. Они обладают такими недостатками как:

• сложность применяемых технических решений, а соответственно высокая цена приобретения и обслуживания;

• наличие механически подвижных узлов, снижающих потенциальную надёжность;

• большой размер в продольном направлении и неразъёмность некоторых конструкций приборов накладывает ограничение на их использование.

В настоящее время к прибору для контроля геометрических параметров кабеля предъявляются следующие требования:

• отсутствие механического контакта измерителя с кабелем, что обеспечивает возможность установки измерителя сразу за экструдером изолирующего агрегата;

• измерение диаметра по двум координатам и более, с возможностью оценки овальности изготавливаемого изделия;

• низкая погрешность измерения не превышающая долей процента;

• высокое быстродействие (тысячные доли секунды), позволяющее проводить измерения на движущемся кабеле;

• малые погрешности, обусловленные поперечными перемещениями кабеля, всегда возникающими в процессе производства;

• наличие протоколов связи прибора с технологическим оборудованием для осуществления управления процессом производства;

• прибор должен быть нечувствительным к изменениям внешних факторов - температуры, влажности, давления, сетевых помех и др.;

• универсальность - возможность использования прибора на разных этапах производства и для разных типов изделий;

• надежность в реальных условиях эксплуатации при длительной многосменной работе;

• простота обслуживания;

• низкая стоимость.

Задача измерения эксцентричности токоведущей жилы относительно центра изоляционного материала наиболее актуальна при производстве проводов и другой кабельной продукции, особенно высокочастотных проводов связи. Этот параметр очень критичен для данного вида продукции и непосредственно определяет её технические и эксплуатационные характеристики (частотные свойства, пропускающая способность), а следовательно отражается на конечных качестве и цене готового изделия. Непрерывный контроль эксцентричности также позволяет снижать расход дорогостоящих изоляционных материалов (ПВХ, резина, полиамид и др. пластикаты) при производстве сигнальных и силовых проводов и кабелей. Необходимость измерения на выходе экструзионной головки (изоляция жилы имеет температуру ~130°С) и непрерывность технологического процесса не позволяют использовать для контроля контактные и разрушающие методы контроля эксцентричности. Ввиду высокой температуры оболочки кабеля и незавершенности на данной стадии процесса ее затвердевания, не могут быть использованы эффективные способы центрирования оболочки кабеля относительно продольной оси первичного измерительного преобразователя. Наиболее совершенный метод измерения указанных геометрических параметров кабеля реализован в разработках лидеров кабельного приборостроения: "Sikora Industrieelektronik" (Германия), "Beta Instr Со" (Великобритания), "Zumbach Electronic Automatic" (Швейцария). Препятствием для использования приборов зарубежных фирм на отечественных кабельных предприятиях являются высокая стоимость аппаратуры и повышенные требования к условиям ее применения в технологическом потоке изготовления кабеля.

Цель диссертационной работы - разработка методов и средств контроля «на проход» непосредственно в процессе изготовления на технологической линии диаметра, овальности кабелей и других круглых протяжённых изделий, а также эксцентричности одножильных круглых кабелей и проводов.

Постановка задачи. Для достижения указанной цели необходимо осуществить следующее.

• Анализ существующих методов и средств измерения диаметра и эксцентричности кабельных изделий в процессе их производства. Выявление их достоинств и недостатков.

• . Разработка новых перспективных методов и средств измерения диаметра кабеля и других протяжённых круглых изделий. Техническая реализация этих методов, разработка их метрологического обеспечения.

• Разработка метода технологического контроля эксцентричности одножильных круглых кабелей и проводов на основе совмещения оптоэлектронных и индуктивных методов. Разработка конструкции совмещённого индуктивно-оптического преобразователя, алгоритма совместного преобразования сигналов оптического и индуктивного измерительных каналов.

Методы исследования. Основаны на теории измерений, теории погрешностей, численного анализа и методов компьютерного моделирования, дифференциальной геометрии и линейной алгебры, физической оптики, современных информационных технологиях MathLab 10, Exel, Origin 5.0. Программное обеспечение разработано на языке С++ в компиляторе Keil.

Научная новизна работы состоит в следующем.

• Предложен метод двухкоординатного проекционного оптического преобразования диаметра и овальности протяжённых изделий большого сечения, конструкция измерительного преобразователя и алгоритм преобразования сигналов измерительной информации, позволяющие измерять изделия больших и средних диаметров.

• Предложен метод двухкоординатного оптического преобразования диаметра и овальности протяжённых изделий в расходящемся пучке, конструкция измерительного преобразователя и алгоритм преобразования сигналов измерительной информации, позволяющие упростить оптическую схему, исключив из неё элементы линзовой и зеркальной оптики и механические сканирующие узлы.

• Предложен метод определения геометрических параметров двухко-ординатных измерителей диаметра, построенных на базе оптической схемы с расходящимся пучком. Метод позволяет уменьшить погрешность приборов, а так же снизить трудоёмкость процесса юстировки при их серийном производстве.

• Предложен метод индуктивно-оптического преобразования диаметра и эксцентричности электрического кабеля, конструкция преобразователя, алгоритм преобразования сигналов измерительной информации и методика определения оптимальных геометрических параметров, позволяющие обеспечить линейность функции преобразования и малую погрешность измерения в широком диапазоне смещений электрического кабеля.

На защиту выносятся следующие научные положения.

1. Применение двухкоординатной проекционной оптической измерительной схемы позволяет бесконтактно в режиме реального времени контролировать диаметр и овальность протяжённых изделий на разных этапах их производства непосредственно на технологической линии. Измерительные системы

данного типа имеют следующие приемущества над аналогами: точность измерения подобных систем может достигать 25 мкм, диаметр измеряемых объектов может варьироваться в очень широких пределах от 5 до 200 мм и более. Возможны контроль геометрических параметров изделий получаемых методом экструзии с профилем отличным от круглого и применение в качестве осветителей различных источников света.

2. Применение предложенного оптического двухкоординатного метода измерения диаметра в расходящемся лазерном пучке обладает целым рядом преимуществ, связанных с отсутствием в конструкции элементов линзовой и зеркальной оптики. В частности, достижимая точность измерения таких приборов составляет доли микрометра и ограничена только дифракционными эффектами на границах тени, и разрешающей способностью используемых многоэлементных приёмников. Данный метод измерения применим для построения измерителей диаметра с шириной зоны измерения до 70 мм.

3. Для измерения эксцентричности и диаметра электрического кабеля предложена конструкция индуктивно-оптического преобразователя, в которой заложены три принципиальных отличия от известных устройств:

• используемый магнитный трансформаторный взаимоиндуктивный преобразователь, обладает линейной функцией преобразования поперечного смещения проводника в электрический сигнал, что позволяет отказаться от электрических приводов в автоматическом режиме центрующих блок датчиков относительно измеряемого объекта;

• двухкоординатная оптическая система с расходящимся лазерным пучком не содержит в себе элементов линзовой и зеркальной оптики, а также механических подвижных оптических элементов, что делает её компактной и потенциально более надёжной;

• использование оригинальных подходов в реализации индуктивно-оптического метода измерения позволило конструктивно скомпоновать оптические и индуктивные преобразователи в единый, компактный, неподвижный, разъёмный измерительный индуктивно-оптический моноблок.

Практическая значимость определяется прикладной направленностью, ориентированной на использование полученных результатов при проектировании высокоинформативных средств технологического контроля геометрических параметров кабельных изделий, таких как диаметр, овальность и эксцентричность. Помимо кабельной промышленности, рассмотренные в работе методы и средства измерения диаметра, могут быть использованы для непрерывного контроля при производстве других протяжённых изделий. Это могут быть различные профили, трубы, пищевые полиамидные оболочки, стальные канаты, натуральные и синтетические шнуры и волокна и т. п. Также кроме непрерывного контроля диаметра методы могут быть использованы для обнаружения локальных геометрических дефектов (утолщений и утонений) при производстве перечисленных видов изделий.

Разработанные в диссертации методы и средства технологического контроля диаметра и эксцентричности электрического кабеля ориентированы на решение практически важной и актуальной задачи, которая состоит в миними-

зации выпуска брака, улучшении качества производимых кабельных изделий, уменьшении затрат на материалы и сырьё, необходимые для производства, а соответственно уменьшении себестоимости продукции.

Внедрение результатов.

Результаты диссертационной работы внедрены на предприятии ООО «НИИ Эрмис», г. Томск. В частности, налажен серийный выпуск двухкоорди-натных проекционных и лазерных измерителей диаметра следующих моделей: «Цикада-3.7» (всего выпущено 30 шт.), «Цикада-4.7» (всего выпущено 10 шт.), «Цикада-2.7» (всего выпущено 40 шт.), «Цикада-1.7» (всего выпущено 5 шт.) и «Цикада-3.8» (всего выпущено 20 шт.). Перечисленное измерительное оборудование используются многими российскими кабельными заводами для непрерывного контроля диаметра кабельных изделий. Это такие предприятия как: ООО «Скамерж», г Краснодар; ОАО «Рыбинсккабель», г. Рыбинск; ООО «Курганский кабельный завод», г. Курган; ОАО «Подольсккабель», г. Подольск; ЗАО «Завод Людиновокабель», г. Людинов; ОАО «Новгородский металлургический завод», г. Великий Новгород; ООО «Рыбинскэлектрокабель», г. Рыбинск; ООО «Аллюр», г. Великие Луки; ООО «Энергокабель», г. Электроугли; завод «Казэнергокабель» г. Павлодар, р. Казахстан; завод «Дурт-Пласт», г. Валч, Польша и многие другие предприятия России, а также ближнего и дальнего зарубежья.

Применение описанного в работе индуктивно-оптического преобразователя позволило на базе фирмы ООО «НИИ Эрмис» г. Томск совместно и кафедрой ИИТ ТПУ, разработать прибор для непрерывного контроля эксцентричности и диаметра электрического кабеля «Ве(сгор-1.01». В настоящее время завершены его лабораторные и заводские испытания, и он проходит стадию подготовки к серийному производству.

Также результаты диссертационной работы используются в учебной и научной деятельности университета:

• при разработке оборудования учебно-научной лаборатории технологического контроля в производстве использованы технические решения, отдельные узлы и устройства, разработанные диссертантом при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ: измеритель диаметра и овальности кабеля «Цикада - 2.7», измеритель длины и скорости протяжённых изделий «Дельта - 1»;

• при разработке методического обеспечения лекционных, практических и лабораторных занятий по дисциплинам «Технологический контроль в производстве» для студентов Института неразрушающего контроля и «Технологический контроль в кабельном производстве» для студентов энергетического института нашли отражение разработанные диссертантом новые методы и средства технологического контроля диаметра и эксцентричности кабельных изделий;

• при обучении и обеспечении НИР студентов элитного технического образования по направлению «Приборостроение» использованы разработанные диссертантом методы и средства контроля.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

• выставке WIRE Russia 2003, Москва 2003 г.;

• выставке WIRE Russia 2004, Москва 2004 г.;

• выставке WIRE Russia 2005, Москва 2005 г.;

• Российской научно-технической конференции «Научно-технические проблемы приборостроения и машиностроения», г. Томск, 2004 г.;

• 12-й, 13-й и 14-й международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии», г. Томск, 2005-2007 г.;

• научных семинарах кафедры информационно-измерительной техники Национального исследовательского Томского политехнического университета;

• научных семинарах, проводимых на базе предприятия кабельного приборостроения ООО «НИИ Эрмис»;

• В 2007 году по теме диссертации был выигран грант программы «УМНИК» (Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 научных работ, из них - 1 патент РФ на изобретение, 5 статей в центральной печати и 4 статьи в сборниках научных трудов.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из 3-х глав и 2-х приложений, содержит 155 страниц, включая 59 иллюстраций, 3 таблицы и список литературы из 86 наименований.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цели и задачи исследования, отмечены научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены сведения о внедрении, апробации работы и публикациях по теме диссертации.

В первой главе приведён обзор существующих на данное время методов и средств контроля диаметра и эксцентричности электрического кабеля на проход непосредственно во время производства.

Все способы контроля размеров делятся на контактные, когда чувствительный элемент непосредственно соприкасается с измеряемым объектом, и бесконтактные, которые в свою очередь подразделяются на ёмкостные, ультразвуковые и оптические и т.д.

Указаны причины затруднений в применении на практике контактных, ёмкостных, ультразвуковых и др. методов контроля. Более подробно рассмотрены оптические методы измерения диаметра, которые применяют в своих разработках ведущие фирмы в области кабельного приборостроения, такие как: «Sikora Industrieelektronik» (Германия), «Zumbach Electronic Automatic» (Швейцария), ООО «ЭРМИС+» (Россия).

Анализ оптических методов измерения позволил выявить три наиболее распространенных оптических метода. Это метод измерения мощности потока излучения, метод со сканирующим узлом и теневой метод в квазипараллельном пучке. Все перечисленные методы, отличаются высоким быстродействием, ма-

лой погрешностью измерения, хорошей помехозащищенностью, и позволяют реализовать бесконтактный принцип получения первичной информации. Однако данные методы имеют существенные недостатки. Большие габаритные размеры в продольном направлении, необходимость использования широкоапер-турной оптики, подвижных механических сканирующих узлов усложняет и удорожает конструкцию преобразователей, что определяет их низкие эксплуатационные характеристики и накладывает ограничения на область их применения.

Помимо анализа методов контроля диаметра кабеля в главе рассмотрены существующие методы измерения его эксцентричности, как разрушающие, которые выявляют брак уже после завершения процесса производства продукции, так и бесконтактные методы измерения, применяющиеся в режиме реального времени на проход непосредственно в процессе производства. К таким методам относятся ультразвуковые, рентгеновские и индуктивно-оптические. Ввиду высокой температуры оболочки кабеля и незавершенности на данной стадии процесса ее затвердевания, не могут быть использованы как контактные средства измерений, так и эффективные способы центрирования оболочки кабеля относительно продольной оси первичного измерительного преобразователя.

Основной недостаток применения ультразвуковых преобразователей для измерения эксцентричности заключается в том, что они, являются иммерсионными. Это создаёт для изготовителей кабельной продукции дополнительные трудности с установкой и обслуживанием подобных систем.

Применение производителями кабельной продукции рентгеновских измерителей эксцентричности даёт хорошие результаты, однако подобные системы имеют очень высокую стоимость.

Суть индуктивнооптического метода заключается в совместном использовании оптической двухкоординатной системы для определения положения центра внешней оболочки кабельного изделия и взаимоиндуктивного магнитного преобразователя для измерения смещения центра токоведущей жилы. На рис. 1 изображено сечение изолированной жилы электрического кабеля, где расстояние от центра токоведущей жилы до центра оболочки кабеля (отрезок е) и есть её эксцентричность, а отрезки ех и еу ж^

- проекции эксцентричности по соответст- изоляция вующим осям.

Высокие метрологические параметры приборов зарубежных изготовителей достигаются за счет использования достаточно сложных конструктивных и схемных решений. Препятствием для использования приборов зарубежных фирм на отечественных кабельных предприятиях являются высокая стоимость аппаратуры и повышенные требования к условиям ее применения в технологическом потоке изготовления кабеля.

Гоковедущая жила

Рис. 1. Сечение контролируемой изолированной жилы электрического кабеля

Вторая глава посвящена разработке методов и средств измерения диаметра [1]. В частности, рассмотрен двухкоординатный оптический проекционный метод (рис.2), который имеет следующие принципиальные отличия от существующих аналогов:

Во-первых, предложенный метод основан на измерении многоэлементным линейным фотоприемником поперечного размера изображения кабельного изделия, получаемого с помощью объектива. Для создания высокой контрастности изображения применена тыльная подсветка измеряемого объекта линейкой светодиодов. Оптическая схема прибора представлена на рис.2. Двухкоординатное измерение диаметра обеспечивается установкой в приборе двух одинаковых измерительных систем, измерительные оси которых ортогональны.

Во-вторых, из оптической схемы исключены широкоапертурные элементы линзовой или зеркальной оптики, вместо которых используется недорогой стандартный фотографический объектив, проецирующий изображение измеряемого объекта на плоскость фотоприёмника с известным масштабным коэффициентом. Это позволяет, используя фотоприёмники стандартной длины, измерять объекты с поперечными размерами 200 мм и более.

В-третьих, благодаря наличию двух ортогональных каналов измерения осуществляется отстройка от влияния поперечных смещений кабеля, что обеспечивает высокую точность измерения.

Для расчёта диаметра объекта по результатам измерений его проекций эмпирически была получена функция преобразования, которая учитывает его поперечные смещения. Многоэлементные фотоприёмники с проецируемыми на них изображениями измеряемого объекта в системе координат X-Y изображены на рисунке 3. Выражения для расчёта диаметров измеряемого объекта по соответствующим осям в такой двухкоординатной проекционной системе выглядит следующим образом:

щс» du)= kj\ (,1/:у+йл

0,(СЛ D,y)- ктРу (АуСу+Ву) +[(dyDly+ey)Cx+(fyDly+gy)], (1)

где Dx(Cy, Dix) и Dy(Cx, Diy) - результат измерения диаметра по соответствующим измерительным осям; к„ - масштабный множитель, определяемый типом используемого объектива; Сх, Су - координаты центра проекций измеряемого объекта на многоэлементных приёмниках; Рх, Ру - линейные размеры этих про-

линейка

Рис 2. Оптический двухкоординатпый проекционный метод измерения диаметра.

екций (рис. 3); А,-, Д, 4. с,, /¡, & — постоянные коэффициенты находимые экспериментально индивидуально для каждой из измерительных осей X и У Значения В]х и Д ,. - диаметры, вычисляемые с использованием приближённых линейных функций преобразования имеющих следующий вид: £>и(Су)= ктОх (ахСу+ 6Х); ОуХСх}- изу (ауСх+ Ьу), где а,, 6/ — как и в выражениях (1) константы, находимые экспериментально.

Рис. 3. Многоэлеменгные линейные фотоприём-хшки и Р'у оптического проекционного преобразователя в системе коордииат Х-У. Точками условно показан ход лучей от объектива к фотоприёмнику. 0%, Оу - оптические оси соответствующих измерительных каналов; ;г, ¡у - проекции измеряемого объекта, Вх, Оу - линейные размеры этих проекций, С.„ Су - координат их центра иа многоэлементных линейных фотоприёмниках соответствующих измерительных осей.

Для получения описанной функции преобразования требуется большой массив экспериментальных данных, однако её использование позволяет получить требуемую погрешность прибора при поперечных смещениях изделия в широких пределах, во всём диапазоне измеряемых диаметров.

Применение предлагаемого технического решения при проектировании измерителя позволяет упростить оптическую систему и уменьшить габариты устройства. Отсутствие механических движущихся узлов увеличивает потенциальную надёжность измерителя и при существенном упрощении конструкции прибора в разы снижает его себестоимость при сохранении метрологических характеристик на уровне лучших зарубежных аналогов. На основе данного метода созданы двухкоординатные измерители диаметра «Цикада-3.72» [2] и «Цикада-4.72», «Цикада-4.2», применяемые для решения задачи технологического контроля диаметра и овальности изделий больших диаметров в диапазоне от 5 до 200 мм и более.

Помимо проекционного метода в главе описан оптический двухкоорди-натный метод измерения диаметра в расходящемся пучке. В основе приборов на основе этого метода заложены три принципиальных отличия от известных решений:

Во-первых, в качестве источника излучения применен инфракрасный полупроводниковый лазерный модуль, характеристики которого близки к характеристикам идеального точечного монохроматического источника, что обеспечивает четкость границ измеряемой многоэлементным приёмником тени.

Во-вторых, из оптической схемы исключены элементы линзовой или зеркальной оптики, следовательно, отсутствуют связанные с ними аберрации, обуславливающие погрешность измерения.

В-трстьих, для повышения достоверности измерения диаметра и для определения овальности, измерение диаметра осуществляется по двум ортого-

нальным осям, а также реализована совместная обработка данных двух измерительных каналов и их взаимная коррекция, чем устраняется погрешность, вызванная поперечными перемещениями контролируемого изделия.

Расчётная схема рассматриваемого двухкоординатного измерителя показана на рис. 4. Прибор содержит два измерительных канала, оси которых А' и Г взаимно перпендикулярны. В каждом канале имеется точечный излучатель (лазерный полупроводниковый модуль), создающий в зоне измерения расходящийся световой поток и многоэлементный линейный фотоприемник, фиксирующий размер тени, отбрасываемой объектом. Контролируемый объект, имеющий форму сечения близкую к кругу, находится в рабочей зоне прибора, освещается двумя излучателями и образует две тени, воспринимаемые фотоприемниками измерительных каналов.

Излучатель 'X' А

Рис. 4 Двухвдординатиый метод измерения в расходящемся пучке.

В главе выведены функции преобразования для расчета диаметров Ох и Оу (рис. 3) для каждой из осей в такой двухкоординатной оптической системе:

Ьх = Ь}Е\ + (Я,„-Е,.)г 81п1(агс1е-^--агод А);

2 Н д. Нх

I Пу Ну

(2)

где расстояния от центра объекта до соответствующих осей Ех и Е, (рис. 3) определяются выражениями:

' I • "г).

(нл.н,.-хл)

у„нА нп-х,

Им. нг

(Я хНг-Х„У1>)

Положения проекции центра объекта на соответствующих многоэлементных приёмниках Х„ и У0 (рис. 3) определяются выражениями:

где в свою очередь Х\, У\ и Х2, положения начала и конца (рис. 3) теней объекта на соответствующих приёмниках

Так же в состав выражений (2-4) входят следующие геометрические параметры конструкции прибора (рис. 3):

• расстояния Их и Ну от центра излучателя до плоскости приемника каждого из каналов;

• расстояния Нхь и #го от центра излучателя до центра рабочей зоны, т. е. до точки (0), являющейся пересечением измерительных осей;

• начала координат, являющиеся «нулевыми» ячейками приемников, расположенными в точках ВХа и Ву0.

В главе также показана методика вычисления геометрических параметров [3,4] измерителей диаметра Н ха,Ну0,Н1,Ну,Вха,Вга кабельных изделий, базирующихся^ теневом методе измерения в расходящемся лазерном пучке. Выявлена возможность упрощения процесса их вычисления без существенного влияния на погрешность измерения приборов, за счёт анализа вклада каждого параметра в результат расчёта диаметра по формулам (2-4).

На основе метода измерения в расходящемся пучке разработаны конструкции измерителей диаметра «Цикада-2.72» [5], «Цикада-1.72» и «Цикада-

В третьей главе предложен усовершенствованный индуктивно-оптический метод (рис. 5), который в отличие ог метода, описанного в главе 1 применённого в устройствах аналогах, заложены 3 принципиальных отличия.

3.8».

Рис. 5. Индуктивно-оптический преобразователь измерителя эксцентричности где К1.1 - К1.4 катушки магнитного преобразователя измеряющего смещение токоведу-щей жилы по первому каналу К2.1 - К 2.4 тоже самое по второму каналу. Л1 и П1 лазер и соответственно приёмник излучения первого канала оптической измерительной системы, а Л2 и П2 второго канала.

К1.4

а)

б)

Рис. 6. Конструкция (а) и принципиальная электрическая схема (б) предлагаемого измерительного трансформаторного преобразователя: «ч - проводник с током (обмотка возбуждения); W211, »¿и, wMh W222-секции измерительной обмотки

Щи

Y

-Л-

..J'; ......

М'212

id

Во-первых, используемый магнитный трансформаторный взаимоиндуктивный преобразователь, обладает линейной функцией преобразования поперечного смещения проводника в электрический сигнал, позволяет отказаться от электрических приводов, которые в автоматическом режиме центруют блок преобразователей относительно измеряемого объекта.

Во-вторых, двухкоординатная оптическая система с расходящимся лазерным пучком не содержит в себе элементов линзовой и зеркальной оптики, а также механических подвижных оптических элементов, что делает её компактной и потенциально более надёжной.

В-третьих, использование оригинальных подходов в реализации индуктивнооптического метода измерения позволило конструктивно скомпоновать оптические и индуктивные датчики в единый, разъёмный, неподвижный, компактный измерительный моноблок.

Основной сферой использования предложенного трансформаторного измерительного преобразователя (рис. 6) является измерение эксцентричности жилы электрического кабеля (рис. 1). В отличие от преобразователей аналогичных устройств предложено более эффективное техническое решение, позволяющее достичь высоких метрологических параметров измерителя за счет выбора оптимальных конструкции и геометрических параметров трансформаторного измерительного преобразователя без применения механического привода, усложнения электронной схемы или функции преобразования первичной измерительной информации.

О

1*221

у<—Щ

X \х}

h

F?"

X

W222

g

Рис. 7. Геометрия задачи (сечение преобразователя плоскостью XOY)

На рис. 6 показана конструкция предлагаемого измерительного преобразователя. Как и в существующих реобразователях функции обмотки возбуждения выполняет сам контролируемый проводник. Отличие предлагаемой конструкции заключается в том, что каждая измерительная обмотка, предназначенная для измерения координат оси проводника в одной из ортогональных плоскостей, имеет четыре последовательно соединенные прямоугольные секции.

На рис. 7 показано сечение предлагаемого преобразователя плоскостью ХОУ. Направление включения отдельных секций относительно контролируемого проводника отражено знаками «+» или «-».

Для прямоугольной секции обмотки с продольным размером / и расстояниями продольных участков витков от оси проводника п и г2 могут быть записаны выражения для магнитного потока Ф,(0 и ЭДС ?,(/):

ф,(0 А'МПгА - АьД^, (5)

2п гх 2я /-[ а? 4

где ;"(/) - закон изменения мгновенного значения электрического тока проводника.

В системе координат (рис. 7) с центром, совпадающим с геометрическим центром преобразователя, расстояния продольных участков витков всех четырех секций измерительной обмотки от оси контролируемого проводника определяются выражениями:___

г^^х+х^+Оу-у,)7; ъ^СХ+^+О-Л)2;

/; = 1/(х-х1)Ч(>-Л)2, г„ = %/(х-х1)2+0'-Уд2,

г, = ^(х+х^+О+л)3; г, = ^(х+^^ + О+л)3; Ъ = л!(х-х1Т + (у+у1?, гк = ^(.х-х1)1+(у+у1У, (6)

где д; и у - смещения оси проводника соответственно по осям ОХ и ОУ; х, - расстояние от продольной плоскости симметрии преобразователя ZOY до плоскостей витков секций измерительной обмотки; _у! и у2- расстояния от продольной плоскости симметрии преобразователя 20Х до продольных участков витков секций измерительной обмотки.

На основании (5) можно записать выражение, определяющее суммарную ЭДС е(1) всех секций измерительной обмотки:

= (7)

В этом выражении можно выделить множитель К(х, у), зависящий от координат оси контролируемого проводника (его смещения относительно оси преобразователя) и от координат осей продольных участков витков секций измерительной обмотки (поперечных геометрических размеров преобразователя):

Цх.у)

' 2 х-.й 0 ■2Л

К(х,у)

]

У-Угг У1

а)

У'У [

б)

х!У1

Рис. 8. Зависимость координатного множителя К(х,у) от изменения измеряемой координаты оси проводника^ (а) и от изменения ортогональной координаты х (б) для предлагаемого преобразователя (1) и преобразователя-прототипа (2).

>'„ Г, Г, Г.

К{х,у) = 1п 7 *■

(8)

Именно множитель К(х,у), который будем называть в дальнейшем координатным множителем, определяет как характер функции преобразования, так и его зависимость от геометрических параметров преобразователя. Задача оптимизации, таким образом, сводится к определению геометрических параметров преобразователя, обеспечивающих независимость координатного множителя К{х,у) от изменения координаты х и линейную зависимость К(х,у) от измене-

Рис. 9. Участок технологической линии с установленным на ней измерителем эксцентричности. 1 - измеряемое изделие, 2 - охлаждающая ванна, 3 - индуктор, 4 - измерительная головка, 5 - экструдер, 6 - промышленный или персональный компьютер.

ния у. Математическими записями этих двух условий являются соответственно равенство нулю первой производной функции К(х.у) по переменной х и равенство нулю второй производной функции К(х,у) по переменной у:

-¿г=0> -~сГ~ (9)

Анализ полученных результатов показывает, что оптимальное соотношение геометрических параметров и с точки зрения линейности функции преобразования совпадает для предлагаемого преобразователя с оптимальным соотношением этих же параметров с точки зрения независимости функции преобразования от смещения проводника в ортогональном измеряемому смещению направлении и определяется соотношением

Л

*1=—Я- (10)

Данное соотношение является универсальным при выборе оптимальных геометрических параметров преобразователя.

Оптимальное соотношение геометрических параметров х и у с точки зрения линейности функции преобразования (рис.8,а) совпадает для предлагаемого преобразователя с оптимальным соотношением этих же параметров с точки зрения независимости функции преобразования от смещения проводника в ортогональном измеряемому смещению направлении (рис.8,б) [7, 8]. Пунктирными линиями показаны аналогичные зависимости для преобразователя аналогичных устройств. Таким образом, получено аналитическое выражение дня определения функции преобразования и методика определения оптимальных геометрических параметров преобразователя.

С учетом результатов проведенного анализа, была разработана конструкция измерителя диаметра и эксцентричности электрического кабеля «Вектор-1.01», свободная от присутствующих в устройствах прототипах недостатков. На рис. 9 изображён участок экструзионной технологической линии, с установленным на ней измерителем «Вектор-1.01». Измеритель состоит из трёх электронных устройств, конструктивно выполненных в обособленных корпусах - измерительной головки, индуктора, и персонального или промышленного компьютера [9, 10].

В заключении представлены основные результаты работы, намечены перспективы дальнейшего развития.

В приложениях приведены документы, подтверждающие уровень внедрения описываемых в работе средств и методов контроля.

■Основные результаты работы.

1. На основе анализа существующих методов и средств измерения диаметра электрического кабеля показано, что одними из эффективных методов контроля диаметра являются теневой в расходящемся пучке и проекционный метод, которые характеризуются малой погрешностью измерения, высоким быстродействием, хорошей помехоустойчивостью и простотой технической реализации. Анализ методов измерения эксцентричности одножильного кабеля показал, что наиболее эффективным в эксплуатации, простым и недорогим в реализации методом является индуктивно-оптический. Метод реализован с исполь-

зованием предложенных индуктивного и оптического преобразователей, обладающих целым рядом преимуществ перед аналогами.

2. Предложен и разработан оптический двухкоординатный проекционный метод измерения диаметра и овальности электроизоляционной оболочки электрического кабеля и конструкция оптического преобразователя, отличающегося компактностью, хорошим быстродействием и малой погрешностью измерения. Для метода разработанны алгоритмы преобразования сигналов первичной измерительной информации, позволяющие производить вычисление диаметра с заданной точностью.

3. Предложен и разработан оптический двухкоординатный метод измерения диаметра и овальности внешней оболочки кабеля в расходящемся лазерном пучке. Метод в силу отсутствия в оптической системе линзовых и зеркальных элементов, а также механических сканирующих узлов, обладает большей компактностью, малой погрешностью измерения, ограниченной исключительно разрешением применяемого многоэлементного приёмника, а также потенциально лучшей надёжностью. Разработаны также алгоритм преобразования первичной измерительной информации и конструкция измерительного преобразователя. Предложен способ отыскания геометрических параметров измерителей диаметра и овальности, базирующихся на описанном методе, упрощающий их калибровку при серийном производстве.

4. Предложен, разработан и реализован индуктивно-оптический метод измерения эксцентричности и диаметра одножильного электрического кабеля на основе совместного использования оптического метода измерения смещения внешней оболочки кабеля в расходящемся лазерном пучке и индуктивного трансформаторного метода измерения смещения токоведущей жилы. Предложенный к использованию индуктивный метод, в отличие от аналогов, благодаря особенностям реализации измерительного преобразователя и разработанной методике нахождения оптимальных геометрических параметров данного преобразователя обладает линейной функцией преобразования. Разработана разъёмная конструкция совмещённого индуктивно-оптического преобразователя, который позволяет вводить и выводить контролируемый кабель из зоны измерения, не останавливая технологический процесс, а также методика совместной обработки и отображения данных индуктивного и оптических измерительных каналов.

5. Для предложенных методов и средств контроля диаметра и эксцентричности кабельных изделий в процессе производства разработано метрологическое обеспечение, включающее в себя методики калибровки и поверки, а также средства и оборудование необходимые для их осуществления.

6. На основе предложенных оптических методов контроля внешней оболочки электрического кабеля разработаны, внедрены в серийное производство и поставлены для эксплуатации на многие заводы РФ, ближнего и дальнего зарубежья семейство приборов для технологического контроля диаметра кабельных изделий в процессе их производства. Применение предложенного индуктивно-оптического преобразователя позволило разработать и подготовить к производству измеритель эксцентричности и диаметра одножильного электрического

кабеля на проход, который успешно прошёл лабораторные й заводские испытания и в данный момент подготовлен к серийному производству.

По результатам диссертации опубликовании следующие работы:

1. Фёдоров Е.М., Гольдштейн А.Е., Редько В.В. Методы и приборы оптического контроля диаметра и овальности электрических кабелей в процессе их производства // Ползуновский вестник 2010. № 2.

2. Фёдоров Е.М. Бесконтактный двухкоординатный измеритель протяжённых изделий больших диаметров в процессе их изготовления «ЦИКАДА-3.7» // Труды 13-й международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии». Т.1.

3. Фёдоров Е.М., Эдличко A.A. Вычисление геометрических параметров двухкоординатных измерителей диаметра протяженных изделий // Известия ТПУ 2008. №2.

4. Фёдоров Е.М., Редько В.В. Вычисление геометрических параметров двухкоординатных измерителей диаметра протяжённых изделий, основанных на теневом методе измерения в расходящемся световом пучке // Труды 14-й международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии» том 1.

5. Свендровский А.Р., Рябов Е.В., Фёдоров Е.М. Двухкоординатный лазерный измеритель диаметра «Цикада-2.72» // Сборник: Тезисов Докладов I всероссийской конференции Научно-технические проблемы приборостроения и машиностроения Томск, 2005. С. 40-42.

6. Гольдштейн А.Е., Свендровский А.Р., Фёдоров Е.М. Индуктивно-оптический преобразователь измерителя эксцентричности электрического кабеля: пат. № 2300737 Рос. Федерация. № 2005135507; опубл. 15.11.05.

7. Гольдштейн А.Е., Фёдоров Е.М. Взаимоиндуктивный измерительный преобразователь поперечных перемещений прямолинейного проводника II Дефектоскопия, 2010, №6, с. 41-49.

8. Goldshtein А.Е. and Fedorov Е.М. A Mutually Inductive Measuring Transducer of Transverse Displacements of a Rectilinear Conductor II RUSSIAN JOURNAL OF NONDESTRUCTIVE TESTING. Vol. 46. No. 6.2010.

9. Фёдоров E.M., Гольдштейн A.E., Свендровский A.P., Редько B.B. Измеритель диаметра и эксцентричности электрического кабеля на основе ин-дуктивноогггического метода //Известия ТПУ. 2010. №2.

10. Фёдоров Е.М., Измеритель диаметра и эксцентричности электрического кабеля на основе индуктивно-оптического метода // Труды 12-й международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии». Т. 1.

Издательство «В-Спектр» ИНН/КПП 7017129340/701701001, ОГРН 1057002637763 Подписано к печати 08.11.2010. Формат 60*847«. Печать трафаретная. Бумага офсетная. Гарнктура «Times New Román». Печ. п. 1. Тираж 100 экз. Заказ 68. 634055, г. Томск, пр. Академический, 13-24, тел. 49-09-91. E-mail: bvrri@sibmail.com

5

1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ

ДИАМЕТРА И ЭКСЦЕНТРИЧНОСТИ КАБЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ В ПРОЦЕССЕ ИХ ПРОИЗВОДСТВА.

1.1 Измерение диаметра электрического кабеля.

1.1.1 Контактные методы.

1.1.2 Бесконтактные методы.

1.1.2.1 Пневматические измерители диаметра.

1.1.2.2 Ультразвуковые измерители диаметра.

1.1.2.3 Оптические методы измерения диаметра.

1.1.2.3.1 Метод измерения мощности потока излучения.

1.1.2.3.2 Метод измерения сканированием.

1.1.2.3.3 Теневой метод в квазипараллельном пучке.

1.1.2.3.4 Дифракционный метод.

1.2 Измерение эксцентричности электрического кабеля.

1.2.1 Разрушающие и контактные методы контроля. г 1.2.1.1 Вихретоковые методы.

1.2.1.2 Емкостные методы.

1.2.2 Неразрушающие бесконтактные методы контроля.

1.2.2.1 Ультразвуковые методы.

1.2.2.2 Измерение эксцентричности с помощью ионизирующих излучений

1.2.2.3 Индуктивно-оптический метод измерения эксцентричности.

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ДИАМЕТРА.

2.1. Проекционный метод измерения диаметра.

2.1.1 Расчёт диаметра измеряемого объекта в двухкоординатных проекционных системах.

2.1.2. Техническая реализация приборов на основе проекционного метода.

2.1.2.1 Двухкоординатный измеритель диаметра «Цикада-3.7».

2.1.2.2 Двухкоординатный измеритель диаметра «Цикада-4.71».

2.2 Теневой метод измерения диаметра в расходящемся световом пучке

2.2.1 Расчет диаметра, овальности и положения центра измеряемого объекта в двухкоординатных системах с расходящимся световым пучком.

2.2.2 Вычисление геометрических параметров двухкоординатных измерителей диаметра протяженных изделий, использующих теневой метод измерения в расходящемся световом пучке.

2.2.3 Техническая реализация приборов на основе теневого метода в расходящемся пучке.

2.2.4.1 Двухкоординатный измеритель диаметра «Цикада-2.72».

2.2.4.2 Двухкоординатный измеритель диаметра «Цикада-3.81».

2.2.4.2 Двухкоординатный измеритель диаметра «Цикада-1.71».

2.3 Метрологическое обеспечение измерителей диаметра.

2.3.1 Калибровка и поверка измерителей диаметра.

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ЭКСЦЕНТРИЧНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ.НО

3.1 Техническая реализация индуктивно-оптического метода измерения эксцентричности.

3.1.1 Трансформаторный двухкоординатный измерительный преобразователь поперечных перемещений прямолинейного проводника.

3.1.3 Конструктивное совмещение блоков оптического и индуктивного преобразователей.

3.1.4 Измеритель эксцентричности «Вектор - 1.01».

3.1.4.1 Техническая реализация индуктора.

3.1.4.2 Совместная обработка данных индуктивного и оптического измерительных каналов.

3.4.4.3 Интерпретация результатов измерения, пользовательский интерфейс

3.5 Метрологическое обеспечение измерителя эксцентричности.

3.5.1 Калибровка и поверка измерителя эксцентричности.

Актуальность работы. Кабели и провода это важнейшие изделия, без которых невозможно представить современную повседневную жизнь общества. Кабельная промышленность, - одна из ведущих и наиболее бурно развивающихся отраслей народного хозяйства. Её отличают высокая технологичность, энергоёмкость, ресурсоёмкость и высокая степень автоматизации производства. Номенклатура кабельных изделий очень разнообразна. Широко применяются кабельные изделия с резиновой и пластмассовой изоляцией (в дальнейшем кабельные изделия). На эту группу приходится около 35% всего выпуска кабельных изделий, и спрос на них неуклонно растет. При этом главным критерием при производстве кабельных изделий выступает их качество - доведение выхода годных изделий до 100% посредством совершенствования технологии контроля основных параметров изделия в процессе производства, автоматизации технологических процессов. Поэтому необходим контроль как электрических, так и геометрических параметров кабельных изделий непосредственно в процессе производства [1,2]. Контроль геометрических параметров позволяет снизить расход дорогостоящего сырья и материалов.

Качество кабельных изделий характеризуется различными геометрическими и электрическими параметрами, как правило, связанными друг с другом. Для проводов, изолированных жил, кабелей круглого сечения одними из наиболее важных конструктивных параметров являются наружный диаметр, овальность и эксцентричность. Выход за допуски геометрических параметров кабельного изделия влечет за собой не только его отбраковку по данному параметру, но и изменение его электрических характеристик. Измерение геометрических параметров кабеля должно происходить в режиме реального времени непосредственно в технологическом процессе. Различные технологические процессы изготовления кабельных и других протяжённых изделий включают в себя перемещение полуфабрикатов и готовой продукции со скоростями от 8 - 10 метров в минуту (эмалирование) до 1000 метров в минуту (волочение). Температура контролируемых объектов также имеет различные значения — от нескольких десятков до нескольких сотен градусов. Контролируемые изделия имеют поперечные размеры от долей миллиметра до нескольких сантиметров и требуют измерения с различной погрешностью [3, 4, 5, 6, 7].

Существующие системы контроля (главным образом зарубежные) диаметра и эксцентричности электрического кабеля не удовлетворяют требованиям современных российских потребителей по цене и по ряду эксплуатационных характеристик. Также недопустимо, что в такой стратегической области промышленности как кабельная, практически отсутствуют приборы отечественных производителей измерительного оборудования.

Цель диссертационной работы - разработка методов и средств контроля «на проход» непосредственно в процессе изготовления на технологической линии диаметра, овальности кабелей и других круглых протяжённых изделий, а также эксцентричности одножильных круглых кабелей и проводов.

Постановка задачи. Для достижения указанной цели необходимо решение следующих задач.

• Анализ существующих методов и средств измерения диаметра и эксцентричности кабельных изделий в процессе их производства. Выявление их достоинств и недостатков.

• Разработка новых перспективных методов и средств измерения диаметра кабеля и других протяжённых круглых изделий. Техническая реализация этих методов, разработка их метрологического обеспечения.

• Разработка метода технологического контроля эксцентричности одножильных круглых кабелей и проводов на основе совмещения оптоэлектронных и индуктивных методов. Разработка конструкции совмещённого индуктивно-оптического преобразователя, алгоритма совместного преобразования сигналов оптического и индуктивного измерительных каналов.

Методы исследования. Основаны на теории измерений, теории погрешностей, численного анализа и методов компьютерного моделирования, дифференциальной геометрии и линейной алгебры, физической оптики, современных информационных технологиях MathLab 10, Exel, Origin 5.0. Программное обеспечение разработано на языке С++ в компиляторе Keil.

Научная новизна работы состоит в следующем.

• Предложен метод двухкоординатного проекционного оптического преобразования диаметра и овальности протяжённых изделий большого сечения, конструкция измерительного преобразователя и алгоритм преобразования сигналов измерительной информации, позволяющие измерять изделия больших и средних диаметров.

• Предложен метод двухкоординатного оптического преобразования диаметра и овальности протяжённых изделий в расходящемся пучке, конструкция измерительного преобразователя и алгоритм преобразования сигналов измерительной информации, позволяющие упростить оптическую схему, исключив из неё элементы линзовой и зеркальной оптики и механические сканирующие узлы.

• Предложен метод определения геометрических параметров двухкоординатных измерителей диаметра, построенных на базе оптической схемы с расходящимся пучком. Метод позволяет уменьшить погрешность приборов, а так же снизить трудоёмкость процесса юстировки при их серийном производстве.

• Предложен метод индуктивно-оптического преобразования диаметра и эксцентричности электрического кабеля, конструкция преобразователя, алгоритм преобразования сигналов измерительной информации и методика определения оптимальных геометрических параметров, позволяющие обеспечить линейность функции преобразования и малую погрешность измерения в широком диапазоне смещений электрического кабеля.

На защиту выносятся следующие научные положения.

1. Применение двухкоординатной проекционной оптической измерительной схемы позволяет бесконтактно в режиме реального времени контролировать диаметр и овальность протяжённых изделий на разных этапах их производства непосредственно на технологической линии. Измерительные системы данного типа имеют следующие преимущества перед аналогами: точность измерения подобных систем может достигать 25 мкм, диаметр измеряемых объектов может варьироваться в очень широких пределах от 5 до 200 мм и более. Возможен контроль геометрических параметров изделий получаемых методом экструзии с профилем отличным от круглого и применение в качестве осветителей различных источников света.

2. Применение предложенного оптического двухкоординатного метода измерения, диаметра' в расходящемся лазерном пучке обладает целым рядом преимуществ, связанных с отсутствием в конструкции элементов линзовой и зеркальной оптики. В частности,. достижимая точность измерения таких приборов составляет доли микрометра и ограничена только дифракционными эффектами на границах тени и разрешающей способностью используемых многоэлементных приёмников. Данный метод измерения применим для построения измерителей диаметра с шириной зоны измерения до 70 мм.

3. Для измерения эксцентричности и диаметра электрического кабеля предложена конструкция индуктивно-оптического преобразователя, в которой заложены три принципиальных отличия от известных устройств:

• используемый магнитный трансформаторный взаимоиндуктивный преобразователь, обладает линейной функцией преобразования поперечного смещения проводника в электрический сигнал, что позволяет отказаться от электрических приводов в автоматическом режиме центрующих блок датчиков относительно измеряемого объекта;

• двухкоординатная оптическая система с расходящимся лазерным пучком не содержит в себе элементов линзовой и зеркальной оптики, а также механических подвижных оптических элементов, что делает её компактной и потенциально более надёжной;

• использование оригинальных подходов в реализации индуктивно-оптического метода измерения позволило конструктивно скомпоновать оптические и индуктивные преобразователи в единый, компактный, неподвижный, разъёмный измерительный индуктивно-оптический моноблок.

Практическая значимость определяется прикладной направленностью, ориентированной на использование полученных результатов при проектировании высокоинформативных средств технологического контроля геометрических параметров кабельных изделий, таких как диаметр, овальность и эксцентричность. Помимо кабельной промышленности, рассмотренные в работе методы и средства измерения диаметра, могут быть использованы для непрерывного контроля при производстве других протяжённых изделий. Это могут быть различные профили, трубы, пищевые полиамидные оболочки, стальные канаты, натуральные и синтетические шнуры и волокна и т. п. Также кроме непрерывного контроля диаметра методы могут быть использованы для обнаружения локальных геометрических дефектов (утолщений и утонений) при производстве перечисленных видов изделий.

Разработанные в диссертации методы и средства технологического контроля диаметра и эксцентричности электрического кабеля, ориентированы на решение практически важной и актуальной задачи, которая состоит в минимизации выпуска брака, улучшении качества производимых кабельных изделий, уменьшении затрат на материалы и сырьё, необходимые для производства, а соответственно уменьшении себестоимости продукции.

Внедрение результатов.

Результаты диссертационной работы внедрены на предприятии ООО «НИИ Эрмис», г. Томск. В частности, налажен серийный выпуск двухкоординатных проекционных и лазерных измерителей диаметра следующих моделей: «Цикада-3.7» (всего выпущено 30 шт.), «Цикада-4.7» (всего выпущено 10 шт.), «Цикада-2.7» (всего выпущено 40 шт.), «Цикада-1.7» (всего выпущено 5 шт.) и «Цикада-3.8» (всего выпущено 20 шт.). Перечисленное измерительное оборудование используются многими российскими кабельными заводами для непрерывного контроля диаметра кабельных изделий. Это такие предприятия как: ООО «Скамерж», г Краснодар; ОАО «Рыбинсккабель», г. Рыбинск; ООО «Курганский кабельный завод», г. Курган; ОАО «Подольсккабель», г. Подольск; ЗАО «Завод Людиновокабель», г. Людинов; ОАО «Новгородский металлургический завод», г. Великий Новгород; ООО «Рыбинскэлектрокабель», г. Рыбинск; ООО «Аллюр», г. Великие Луки; ООО «Энергокабель», г. Электроугли; завод «Казэнергокабель» г. Павлодар, р. Казахстан; завод «Дурт-Пласт», г. Валч, Польша и многие другие предприятия России, а также ближнего и дальнего зарубежья.

Применение описанного в работе индуктивно-оптического преобразователя позволило на базе фирмы ООО «НИИ Эрмис» г. Томск совместно с кафедрой ИИТ ТПУ разработать прибор для непрерывного контроля эксцентричности и диаметра электрического кабеля «Вектор-1.01». В настоящее время завершены его лабораторные испытания и он проходит стадию подготовки к серийному производству.

Также результаты диссертационной работы используются в учебной и научной деятельности университета:

• при разработке оборудования учебно-научной лаборатории технологического контроля в производстве использованы технические решения, отдельные узлы и устройства, разработанные диссертантом при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ — измеритель диаметра и овальности кабеля «Цикада - 2.7», измеритель длины и скорости протяжённых изделий «Дельта - 1»;

• при разработке методического обеспечения лекционных, практических и лабораторных занятий по дисциплинам «Технологический контроль в производстве» для студентов Института неразрушающего контроля и «Технологический контроль в кабельном производстве» для студентов энергетического института нашли отражение разработанные диссертантом новые методы и средства технологического контроля диаметра и эксцентричности кабельных изделий;

• при обучении и обеспечении НИР студентов элитного технического образования по направлению «Приборостроение» использованы разработанные диссертантом методы и средства контроля.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

• выставке WIRE Russia 2003, Москва 2003 г.;

• выставке WIRE Russia 2004, Москва 2004 г.;

• выставке WIRE Russia 2005, Москва 2005 г.;

• Российской научно-технической конференции «Научно-технические проблемы приборостроения и машиностроения», г. Томск, 2004 г.;

• 12-й, 13-й и 14-й международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии», г. Томск, 2005- 2007г.;

• научных семинарах кафедры информационно-измерительной техники Национального исследовательского Томского политехнического университета;

• научных семинарах, проводимых на базе предприятия кабельного приборостроения ООО «НИИ Эрмис»;

• В 2007 году по теме диссертации был получен грант программы «УМНИК» (Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 научных работ, из них — 1 патент РФ на изобретение, 5 статей в центральной печати и 4 статьи в сборниках научных трудов.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из 3-х глав и 2-х приложений, содержит 155 страниц, включая 59 иллюстраций, 3 таблицы и список литературы из 86 наименований.

Заключение

1. На основе анализа существующих методов и средств измерения диаметра электрического кабеля показано, что одними из эффективных методов контроля диаметра являются теневой в расходящемся пучке и проекционный метод, которые характеризуются малой погрешностью измерения, высоким быстродействием, хорошей помехоустойчивостью и простотой технической реализации. Анализ методов измерения эксцентричности одножильного кабеля показал, что наиболее эффективным в эксплуатации, простым и недорогим в реализации методом является индуктивно-оптический.

2. Предложен и разработан оптический двухкоординатный проекционный метод измерения диаметра и овальности электроизоляционной оболочки электрического кабеля и конструкция оптического преобразователя, отличающегося компактностью, хорошим быстродействием и малой погрешностью измерения. Для метода разработанны алгоритмы преобразования сигналов первичной измерительной информации, позволяющие производить вычисление диаметра с заданной точностью.

3. Предложен и разработан оптический двухкоординатный метод измерения диаметра и овальности внешней оболочки кабеля в расходящемся лазерном пучке. Метод в силу отсутствия в оптической системе линзовых и зеркальных элементов, а также механических сканирующих узлов, обладает большей компактностью, малой погрешностью измерения, ограниченной исключительно разрешением применяемого многоэлементного приёмника, а также потенциально лучшей надёжностью. Разработаны также алгоритм преобразования* первичной измерительной информации и конструкция измерительного преобразователя. Предложен способ отыскания геометрических параметров измерителей диаметра и овальности, базирующихся на описанном методе, упрощающий их калибровку при серийном производстве.

4. Предложен, разработан и реализован, индуктивногоптический метод измерения эксцентричности и диаметра одножильного электрического кабеля, на основе совместного использования оптического метода измерения смещения внешней оболочки кабеля*, в расходящемся' лазерном пучке и индуктивного трансформаторного метода, измерения- смещения« токоведущей жилы. Предложенный к использованию индуктивный метод, в отличие от аналогов, благодаря особенностям реализации измерительного преобразователя и разработанной методике нахождения оптимальных геометрических параметров данного преобразователя« обладает линейной, функцией, преобразования. Разработана^ разъёмная конструкция совмещённого индуктивно-оптического преобразователя; который- позволяет вводить и выводить контролируемый кабель из зоны измерения, не останавливая технологический-процесс, а также методика совместной обработки- и отображения данных индуктивного и оптических измерительных каналов.

5. Для, предложенных методов- и средств * контроля диаметра и эксцентричности кабельных изделий в процессе производства разработано метрологическое обеспечение, включающее в* себя' методики- калибровки», и поверки, а также средства и оборудование необходимые для их осуществления.

6. На» основе предложенных, оптических методов* контроля внешней оболочки электрического кабеля-разработаны, внедрены в учебный процесс, в серийное производство и поставлены для эксплуатации на многие заводы РФ, ближнего и дальнего зарубежья семейство приборов для технологического контроля диаметра кабельных изделий' в процессе их производства. Применение предложенного индуктивно-оптического преобразователя позволило разработать и подготовить к производству измеритель эксцентричности и диаметра одножильного электрического кабеля на проход, который успешно прошёл лабораторные и заводские испытания и в данный момент подготовлен к серийному производству (приложение 1, 2). Сводные характеристики приборов, реализующих представленные методы измерений приведены в таблице 1.

1. Саакян, Александр Ефремович. Технический контроль производства кабелей, проводов^ и шнуров с резиновой и- полихлорвиниловой изоляцией : учебное пособие / А. Е. Саакян. — М. ; Л. : Госэнергоиздат, 1957. — 239 с. : ил.1. Библиогр.: с. 240.

2. Свендровский А. Р. Контроль технологических параметров процесса изготовления кабельных изделий / А. Р. Свендровский; Труды Российской научно — технической конференции "Новейшие технологии в приборостроении". Ч. 2. Томск, Изд-во ТПУ, 1997. - 68 - 71 с.

3. Основы кабельной техники : учебное пособие / Под ред. В.А.Привезенцева.2.е изд., перераб. и доп. — М. : Энергия, 1975. — 472 с. Др. издание: Основы кабельной техники : учебное пособие / Под ред. В.А.Привезенцева. -— М. : Энергия, 1967. —464 с. — 1р.09к.

4. Кижаев, С. А. Интеллектуальные системы измерения в процессе экструзии в кабельной промышленности / С. А. Кижаев // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика : журнал. — М., 2004. — № 7. — С. 52-54.

5. Измерения, контроль, диагностика) . — ISSN 0032-8154. — Библиогр.: 5 назв.

6. Производство электрических кабелей и проводов с резиново-пластмассовой изоляцией : учебное пособие / И. Д. Троицкий , JI. С. Лахман, О. Ш. Бабицкий, И. ИГ. Берин. — М. : Высшая школа, 1967. — 400 с. : ил.

7. Григорьян, Александр Григорьевич. Производство кабелей и проводов с применением пластмасс и резин / А. Г. Григорьян, Д. Н. Дикерман, И. Б. Пешков ; под ред. И. Б. Пешкова. — М. : Энергоатомиздат, 1992. — 304 с. : ил.

8. Библиогр.: с. 300-302. — ISBN 5-283-00661-1.

9. Пешков И.Б. Мировые тенденции развития кабельной техники // Журнал кабели и провода. 2002. - № 3. - С. 15 - 19.

10. Свендровский А.Р. и др. Опыт разработки устройства бесконтактного измерения диаметра кабельных изделий // Электротехника. — 1991.- № 3. —с. 26

11. Пат. 2173833 Россия. МКИ G01B 11/08. Фотоэлектрическое устройство для измерения диаметра-изделий. / А.Р. Свендровский. Заявлено,27.03.2000.16. «Эрмис» ООО Приборы технологического контроля; для кабельного; производства (каталог изделий 2000 г.).

12. Свендровский А. Р. Непрерывный контроль изоляции кабельных изделий в процессе; изготовления- // Труды международной конференции «Изоляция-99». Санкт-Петербург, 1999:

13. Свендровский А. Р. Гладышев Ю. F. Серия? измерителей; диаметра «Цикада» для протяженных круглых изделий // Новейшие технологии в приборостроении: Труды Российской научно-технической . конференции. -Томск, 1999. Т. 2. - с. 72-75.

14. Приборы технологического контроля для кабельного производства. Каталог продукции «ЭРМИС-2003». Томск, 2003.

15. Власов, Евгений; Измерение диаметра обмоточного провода7 Е. Власов // Схемотехника : научно-технический журнал. —М., 2003.—№ 3. — С. 52-54. — (Справочный листок). — Библиогр.: 7 назв.

16. Клаассен, Клаас Б. Основы измерений; Электронные методы и приборы в измерительной технике : учебное пособие / К. Б. Клаасен. — М. : Постмаркет, 2000. — 352 с. — (Библиотека современной:электроники). . .— ISBN 5-90109502-2. " ;

17. Белоруссов, Николай Иванович. Производство кабелей и проводов с пластмассовой изоляцией / Н. И. Белоруссов; Е. Г. Федосеева. — M: ; JI. : Энергия, 1966. — 97 с. : ил.

18. Новодворец, Лазарь Аронович. Испытание и проверка силовых кабелей / JI. А. Новодворец. — М. : Энергия, 1970. — 112 с. : ил. — (Библиотека электромонтера ; Выпуск 302). — Библиогр.: с. 100-111.

19. Катулин В. А., Малое А. Н. «Лазерные контрольно-измерительные системы: проблемы и перспективы» // Вести. АН СССР. 1986. № 6.28. «Laser diffraction and projection sensors for measuring fibre optic diameter» // EuroWire November 2003.

20. Web-site "Sikora Industrieelektronik". http://www.sikora.com

21. Web-site "Beta Instr Go". http://www.beta.com

22. Web-site "Zumbacfr Electronic Automatic". http://www.zumbach.com

23. Web-сайт ООО "ЭРМИС+". http://www.ermis.tomsk.ru

24. Холодный, Станислав Дмитриевич. Методы испытаний и диагностики в электроизоляционной и кабельной технике : учебное пособие / С. Д. Холодный, С. В. Серебрянников, М. А. Боев. — М. : Изд-во МЭИ, 2009. — 232 с. : ил. — Библиогр.: с. 230-231.

25. Городецкий, Сергей Сергеевич. Испытания кабелей и проводов : учебное пособие. — М. : Энергия, 1971. — 272 с. — 64к.

26. Основы кабельной техники : учебник / под ред. И. Б. Пешкова. — М. : Академия, 2006. — 432 с. : ил. — (Высшее профессиональное образование. Электротехника). — Библиогр.: с. 421-422.

27. Фёдоров Е. М., Гольдштейн А. Е., Редько В. В. «Методы и, приборы оптического контроля диаметра и овальности электрических кабелей в процессе их производства» // Ползуновский вестник 2010. № 2.

28. Берг, А. Светодиоды : пер. с англ. / А. Берг, П. Дин. — М. : Мир, 1979. — 686 с. : ил. — Библиогр. вконце глав. — Предм. указ.: с. 677-682.

29. Шуберт, Фред Е. Светодиоды : пер. с англ. / Ф. Е. Шуберт. — М. : Физматлит, 20084. — 496 с. : ил. — Библиография в конце глав. — ISBN 978-59221-0851-5.

30. Мирошников, . Теоретические основы оптико-электронных приборов. 2-е изд. : . — СПб. : Лань, 2010: — с. : ил. + . — 0 — Библиогр.': с. — Заказано в издательстве. — ISBN 978-5-8114-1036-1.

31. Якушенков, Юрий Григорьевич. Теория и расчет оптико-электронных приборов : учебник для вузов / Ю. Г. Якушенков. — 5-е изд., перераб. и доп. — М. : Логос, 2004. — 470- с. : ил. — (Новая университетская библиотека) . — Библиогр.: с. 462-464.

32. Справочник конструктора оптико-механических приборов / Под ред. В. А. Панова. — 3-е изд., перераб. и доп. — Л. : Машиностроение, 1980. — 742'с. : ил. — Библиогр- е. 728-732.

33. Мироненко, Анатолий Васильевич. Фотоэлектрические измерительные системы. Измерение линейных и угловых величин / А. В. Мироненко. — M : Энергия, 1967. — 360 с. : ил. — Библиогр.: с. 356-358.

34. Трамперт, Вольфганг. AVR-RISC микроконтроллеры. Архитектура, аппаратные, ресурсы, система команд, программирование, применение / В. Трамперт. — Киев : МК-Пресс, 2006. —459 с. : ил. + CD-ROM.

35. Хоровиц, Пауль. Искусство схемотехники : пер. с англ. / П. Хоровиц, У. Хилл. — 5-е изд.,перераб. — М. : Мир, 1998. — 704 с. : ил.

36. Белов, А. В. Конструирование устройств на микроконтроллерах / А. В. Белов. — СПб. : Наука и техника, 2005. — 256 с. : ил. — (Радиолюбитель) . — Библиогр.: с. 255. — ISBN 5-94387-155-1.

37. Евстифеев, Андрей Викторович. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы "ATMEL" / А. В. Евстифеев. — М. : Додэка-ХХ1, 2004. — 558 с. : ил. — (Мировая электроника).

38. Свендровский А.Р. Расчёт диаметра в бесконтактных двухкоординатных измерителях // В сборнике: Тезисов Докладов I всероссийской конференции Научно-технические проблемы приборостроения и машиностроения Томск, 2005.-С. 31-33.

39. Фёдоров Е.М., Эдличко А. А. «Вычисление геометрических параметров двухкоординатных измерителей диаметра протяженных изделий» // Известия ТПУ 2008. №2.

40. Свендровский А.Р., Рябов Е.В., Фёдоров Е.М. Двухкоординатный лазерный измеритель диаметра «Цикада-2.72» // В сборнике: Тезисов Докладов I всероссийской конференции Научно-технические проблемы приборостроения и машиностроения Томск, 2005.— С. 40—42.

41. Клюев, С. А. Монтаж средств измерений и систем автоматизации / С. А. Клюев. — М. : ИСПО-Сервис, 1999. — 156 с. : ил. — ISBN 5-283-01665-2.

42. ГОСТ 12177-79. Кабели, провода и шнуры. Методы проверки конструкции. М.: Издательство стандартов, 1979. - 23 с.

43. ГОСТ 2990-78. Кабели, провода и шнуры. Методы испытания напряжением. М: Издательство стандартов, 1996. - 16 с.

44. ГОСТ 27893-88. Кабели связи. Методы испытаний. М: Издательство стандартов, 1988.-14с.

45. ГОСТ 7006-72 Покровы защитные кабелей. Конструкция и типы, технические требования и методы испытаний.

46. ГОСТ 23286-78 Кабели, провода и шнуры. Нормы толщин изоляции, оболочек и испытаний напряжением

47. ГОСТ Р 51651-2000 Изделия кабельные. Система качества. Материалы конструкции.

48. ГОСТ Р МЭК 60811-1-1-98 Общие методы испытаний материалов изоляции и оболочек электрических кабелей. Измерение толщины и наружных размеров. Методы определения механических свойств.

49. Pat. WO 03085354. ЕС G01B 11/10В. Contactless system for measuring centricity and diameter / Zumbach Electronic AG (CH). Publ. 16.10.2003, esp@cenet database. 18 p.: II.

50. Индуктивно-оптический преобразователь измерителя эксцентричности электрического кабеля: пат. № 2300737 Рос. Федерация. № 2005135507; опубл. 15.11.05.

51. Гольдштейн А.Е., Свендровский А.Р. Трансформаторный двухкоординатный измерительный преобразователь поперечных перемещений прямолинейного проводника // Известия Томского политехнического университета. 2005. - № 2. - С. 71-77.

52. Говорков, Владимир Александрович. Электрические и магнитные поля / В. А. Говорков. — 3-е изд., перераб. и доп. — М. : Энергия, 1968. — 487 с. : ил. — Библиогр.: с. 462-465 (• 85 назв. ). — Алф. указ.: с. 476-479.

53. Гольдштейн А.Е., Фёдоров Е.М. «Взаимоиндуктивный измерительный преобразователь поперечных перемещений прямолинейного проводника» //Дефектоскопия, 2010, № 6, с. 41-49.

54. Goldshtein А. Е. and Fedorov Е. М. «А Mutually Inductive Measuring Transducer of Transverse Displacements of a Rectilinear Conductor» // RUSSIAN JOURNAL OF NONDESTRUCTIVE TESTING Vol. 46 No. 6 2010.

55. Pat; US 5541509Г 1С G01B7/30. Electrical cable jacket and conductor eccentricity detector including energizing coil' formed about a toroid core and moveable pickup coil / Beta Instr Co (GB). Publ*. 30.07.1996, esp@cenet database. -11 p.: II:

56. Богомолов E. H., Василец H. В., Кривенков Б. E., Чугай Ю. В., Шульженко JI. М., Юношев В. П., Ярославцев И. В. «Фотодиодный оптико-электронный измеритель размеров "Сенсор"» // Автомерия. 1989. №5

57. Пилипович В. А., Есман А. К., Кулешов В. К и др. «Устройство измерения диаметра движущихся объектов» // Приборы и системы управления 1990. № 3.

58. Фролов Д. Н., Свендровский А. Р., Гольцеймер А. А., Гладышев Ю. Г. «Опыт разработки устройства бесконтактного измерения диаметра кабельных изделий»//Электротехника 1991. №3.

59. Глущук П.С. Связь приборов технологического контроля,с персональным компьютером/П.С. Глущук// Научно-технические проблемы приборостроения и машиностроения: Сборник трудов. Томск, 28-29 сентября 2004. - С. 50 - 54.

60. Соболев B.C. Программное обеспечение современных систем сбора и обработки измерительной информации // Журнал приборы и системы управления. 1998. - № 1. - С. 55 - 57.

61. Разработка виртуальной панели контроля качества производства кабельных изделий / П.С. Глущук, Е.И. Грамаков, А.Р. Свендровский // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2001. - №3. - С. 63 -66.

62. Глущук П.С. Система контроля качества производства кабельных изделий / П.С. Глущук // Известие ТПУ. 2004. - №3. - С. 118 - 121.

63. Кузнецов, Вениамин Алексеевич. Основы метрологии : учебное пособие / В. А. Кузнецов, Г. В. Ялунина. — М. : Изд-во стандартов, 1995. — 280 с. — ISBN 5-7050-0438-9.

64. Кузнецов, Вениамин Алексеевич. Метрология (теоретические, прикладные и законодательные основы) : учебное пособие / В. А. Кузнецов, Г. В. Ялунина. — М. : Изд-во стандартов, 1998. — 336 с. — ISBN 5-7050-0438-9.

65. Фёдоров Е.М., Гольдштейн А.Е., Свендровский А.Р., Редько В.В. «Измеритель диаметра и эксцентричности электрического кабеля на основе индуктивнооптического метода» // Известия ТПУ 2010. №2.