Системы автоматического контроля

  В зависимости от формы траектории перемещения контролируемой детали, транспортирующие механизмы можно разделить на механизмы с движением изделия по прямой, по окружности и по сложной траектории. В «совмещенных» транспортирующих механизмах перемещение детали от загрузочного устройства до измерительной позиции и установка на нее совмещены. Во многих конструкциях автоматов роль органов, транспортирующих изделия, выполняют лотки, а изделия перемещаются под действием собственной массы. Лотки относятся к наиболее простым транспортирующим элементам и поэтому находят широкое применение.

   На рис. 5 представлены несколько механизмов с прерывистым, прямолинейным движением изделия. Привод этих устройств часто осуществляется от кулачковых механизмов, позволяющих сравнительно легко получить необходимый закон перемещения толкателя при малых габаритах и простой кинематической схеме.

  Рис. 5. Схемы транспортирующих устройств с прямолинейным перемещением детали 

    В этих устройствах выброс измеренной детали может происходить при ходе толкателя назад (рис. 5, а), в конце хода толкателя вперед (рис. 5, б) или последующей деталью (рис. 5, в).  

     1.5. Устройства измерительных позиций систем автоматического контроля 

     Измерительная позиция содержит механизмы установки  и съема изделий (базирование): фиксирующие, предотвращающие поломку измерительных наконечников при установке или съёме изделий; передаточные, предназначенные для передачи результатов измерений от контакта, соприкасающегося с поверхностью детали до измерительной головки, а также для удобства расположения датчика; узлы базирования и вращения детали на измерительной позиции; механизмы непосредственного контроля.

      Структурная схема устройства измерительной позиции представлена на рис. 6. 
 
 
 
 
 
 

     Рис. 6.Структурная схема устройства измерительной позиции  

     Деталь  Д базируется и зажимается на позиции контроля установочными элементами (УЭ). С деталью взаимодействует первичный измерительный преобразователь (ИП1), который передает информацию вторичному преобразователю ИП2 и далее пороговым элементом ПЭ1, ПЭ2, ..., ПЭ_n. Преобразователи ИП1 и ИП2 подвергают контролируемый параметр масштабному преобразованию, например, усилению и при необходимости заменяют его какой-либо функционально связанной с ним физической величиной, более удобной для обработки, чем этот параметр. Если контролируемым параметром х является линейный размер, то его преобразуют в величину, представляющую собой угол поворота или электрический сигнал у. Если параметр х — шероховатость поверхности, то у либо электрический сигнал, либо давление воздуха, если параметр х — жесткость, то у чаще всего механическое перемещение.

       
 
 
 
 
 
 

Рис. 7. Статическая характеристика устройства измерительной позиции 

     Функциональную  зависимость у = f(x) (рис. 7) называют функцией преобразования или статической характеристикой устройства измерительной позиции. По этой характеристике производят настройку ПЭ на пороги срабатывания уi = f(x_i) где х_i — нормативные значения параметра х. Поскольку при настройке происходит физическое воспроизведение нормативного значения х, то ПЭ иногда называют элементами, воспроизводящими указанные значения.

     В результате сравнения воспроизведенных нормативных значений контролируемого параметра с действительными ПЭ сигнал выдают либо нет. Преобразователь ИП1 совместно с УЭ образует измерительную оснастку датчика-классификатора, а преобразователь ИП2 и ПЭ сам датчик-классификатор. Датчик-классификатор Д-К представляет собой, как правило, стандартный или унифицированный элемент САК. Измерительную оснастку обычно разрабатывают применительно к конкретному автомату и контролируемой детали. 
 
 
 
 
 

    2. Устройства (датчики-классификаторы) для автоматического контроля линейных размеров

    Автоматизация и механизация технологических  процессов сопровождается все более широким применением измерительных устройств, которые обеспечивают широкую информацию о состоянии производства на всех его стадиях.

    Поскольку основное внимание в данной работе направлено на проектирование автомата для контроля длины и глубины полуфабрикатов, рассмотрим в этом разделе устройства (датчики-классификаторы) для контроля линейных размеров.

    Информация  о состоянии технологического процесса в автоматизированном процессе обычно выражается в виде сигналов какого-либо вида энергии.

    В устройствах для автоматического контроля размеров линейные перемещения обычно преобразовываются в другие виды энергии, удобные для дистанционных измерений, а также для связи с системами автоматического регулирования технологического процесса.

    Важность  дистанционных измерений заключается  в том, что автоматический контроль линейных размеров деталей в процессе их обработки требует построения малогабаритных элементов (преобразователей), которые могут быть установлены в зоне обработки в труднодоступных местах с целью получения информации об изменении размера детали. Для целей управления технологическим процессом обычно измерительный импульс преобразовывают в сигнал электрический, так как электрическая энергия является наиболее универсальной и удобной для управления исполнительными органами станков, станочных линий, прокатного оборудования и т. д.

    В зависимости от метода преобразования измеряемого линейного перемещения устройства автоматического контроля можно разделить на электроконтактные, пневматические, индуктивные, радиоактивные, емкостные, фотоэлектрические, ультразвуковые, оптические, механические и др.

    Рассмотрим принцип построения устройств для автоматического контроля линейных размеров, которые наиболее широко применяются в машиностроении. 

2.1. Электроконтактные  датчики 

     Большое распространение в САК получили электроконтактные средства контроля.

     Электроконтактные датчики преобразуют механическое перемещение измерительного штока  в электрический сигнал управления, который далее используется сортировочными устройствами.

     Различают предельные и амплитудные контактные датчики. Предельные датчики контролируют фактические размеры и позволяют отделить годные детали от бракованных, а также разделит годные на несколько групп. Амплитудные датчики контролируют разность между наибольшим и наименьшим размером детали. В соответствии с числом пар контактов, которые выполняют функцию преобразующего элемента, различают: одноконтактные, двухконтактные и многоконтактные преобразователи.

     При работе двухконтактного (двухпредельного) преобразователя (рис. 8, а) в зависимости от высоты контролируемой детали 1 замыкается нижний контакт 2, если деталь меньше определенной высоты, или верхний контакт 3, если деталь больше другой определенной высоты. Если размер детали находится в пределах между указанными значениями, то ни один из контактов преобразователя не замкнут. Если электроконтактный преобразователь настроить таким образом, чтобы эти значения соответствовали нижнему и верхнему пределам поля допуска на контролируемый размер, то с помощью такого преобразователя контролируемые детали можно рассортировать на три группы: годные и две группы с размерами, выходящими за предельные значения поля допуска. При необходимости рассортировки деталей на большее число групп применяют многопредельные электроконтактные преобразователи. С помощью четырехконтактного (четырехпредельного) преобразователя (рис. 8, б) детали можно рассортировать на пять групп. 

 

Рис. 8. Схема электроконтактных преобразователей 

При разработке схемы включения электроконтактного преобразователя необходимо обратить внимание на то, чтобы, во-первых, включение и выключение электроконтактов преобразователя происходило при отсутствии электрического напряжения них и, во-вторых, чтобы при работе через эти преобразователи проходил возможно меньший электрический ток. С этой целью в автоматах предусматривают циклы, в которых последовательно осуществляются следующие операции: установка контролируемой детали на измерительную позицию под измерительный наконечник преобразователя, включение электрической схемы преобразователя, передача в запоминающее устройство' результата контроля, выключение электрической цепи преобразователя и, наконец, съем контролируемой детали с измерительной позиции.

  Для повышения точности рассортировки  изделий электроконтактные преобразователи выпускают рычажного типа, в которых движение измерительного наконечника воздействует на короткое плечо рычага, а длинное плечо этого же рычага перемещает подвижный контакт и обеспечивает замыкание и размыкание электрической цепи. С помощью новых отлаженных электроконтактных преобразователей можно получить погрешность рассортировки деталей менее 0,5 мкм. Однако при обычных условиях эксплуатации с помощью рассматриваемых преобразователей погрешность рассортировки не превосходит 1—2 мкм.

 
 
 
 
 
 

     Рис. 9. Амплитудный электроконтактный датчик 

     Амплитудный электроконтактный датчик (рис. 9) служит главным образом для контроля овальности цилиндрических деталей. Основной элемент амплитудного датчика — плавающий контакт, выполненный в данной конструкции в виде рычага. При повороте детали наконечник фиксирует наименьший диаметр, шток опускается, и фрикционная пружина 2 поворачивает плавающий рычаг 7 до упора в контакт К1. При дальнейшем спускании штока выступ рычага проскальзывает по пружине. Когда диаметр детали начнет увеличиваться, шток будет подниматься, и фрикционная пружина заставит плавающий рычаг поворачиваться вправо на величину, соответствующую разности максимального и минимального диаметров. Если эта разность больше допустимой, рычаг упирается в контакт К2, и по дается сигнал на отбраковку детали.

     Многоконтактные датчики применяются для многодиапазонной сортировки деталей. При их создании приходится решать задачу размещения в ограниченном объеме датчика нескольких десятков пар контактов. Существуют разные варианты конструктивного решения этой задачи.  

     2.2. Индуктивные датчики  (преобразователи) 

     Индуктивные преобразователи используют при необходимости проведения более точного контроля линейных размеров.

Рассмотрим  принцип действия индуктивного преобразователя (рис. 10). Высота контролируемого изделия 1 определяет положение измерительного штока 2 и якоря 3, расположенного между сердечниками 4 и 5, на которых помещены катушки индуктивности. Индуктивность этих катушек зависит от магнитного сопротивления их магнитопроводов, состоящих из сердечников, якоря и воздушных зазоров между якорем и сердечниками. Чем больше воздушный зазор, тем больше магнитное сопротивление магнитопровода, меньше магнитный поток и, следовательно, меньше индуктивность катушки. Таким образом, при увеличении высоты детали увеличивается зазор   между   якорем и нижним сердечником 5 и уменьшается зазор ∆ между якорем и верхним сердечником 4. Это вызывает уменьшение индуктивности катушки на сердечнике 5 и ее увеличение на сердечнике 4.  
 
 

       
 
 

Рис. 10. Схема дифференциального индуктивного преобразователя 

     Для получения высокой чувствительности и линейной характеристики индуктивные датчики объединяют попарно, получая дифференциальный индуктивный датчик с двумя сердечниками и одним общим якорем (рис. 11, а). В таком датчике при перемещении якоря в соответствии с размером детали изменяются зазоры и — один из них возрастает, второй настолько же уменьшается. Соответственно изменяется и индуктивность обмоток датчика L₁ и L₂.

     Благодаря этому чувствительность дифференциального индуктивного датчика примерно вдвое превышает чувствительность простого датчика. Обмотки датчика включают в электрическую схему мостового типа. Два плеча моста образуют индуктивные сопротивления и , а два других плеча активные сопротивления и . Активные сопротивления и подбирают таким образом, чтобы при среднем положении якоря ( = ) соблюдалось условие: = и = . В этом случае мост будет находиться в равновесии и при подаче напряжения ток в измерительной диагонали АБ отсутствует. При подводе к наконечнику детали якорь сместится из среднего положения, равновесие моста нарушится, и в обмотках датчика появятся токи I₁ и I₂ (рис. 11, б), а в диагонали ток I = I₁-I₂ - фиксируемый прибором ИП. Благодаря высокой чувствительности и линейности характеристику (рис. 11, б) дифференциальные индуктивные датчики получают все более широкое применение в контрольно-измерительных приборах и устройствах. Большинство из них работает на частоте источника питания 50 Гц при стабилизированном напряжении 10—30 В. При особо высоких требованиях к чувствительности и точности работы датчиков частоту питающего напряжения увеличивают до 3—10 кГц. Однако это усложняет устройство в связи с необходимостью применения преобразователей частоты. 
 

       
 
 
 
 
 

     

     Рис. 19. Схема включе- ^ния обмоток дифферен-

     Рис.11. Схема дифференциального индуктивного датчика (а)

       и его характеристика (б).

      

     Примеры конструкций дифференциальных индуктивных  датчиков показаны на рис. 12.