Патент на изобретение №2331043

(54) СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЯ КОНТРОЛИРУЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ В ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ

(57) Реферат:

Изобретение относится к машиностроению, а именно к области создания средств и методов бесконтактного измерения неровностей поверхностей, геометрических размеров, эксцентриситета и перемещений деталей машин и механизмов. Технический результат: повышение точности измерений профилей, микрогеометрии и эксцентричности контролируемых поверхностей вращающихся элементов машин и механизмов в динамических режимах работы. Сущность: процесс измерения зазора между измерительным преобразователем измерительного устройства и контролируемой областью объекта контроля включает выполнение опорного измерения, изменение зазора на величину не менее образцовой, осуществление дополнительного измерения измененного зазора и корректировку значений измеряемых зазоров с учетом результатов опорного и дополнительного измерений, а также величины образцового изменения зазора. Результаты опорного, дополнительного и других серий измерений зазоров определяют как средние значения ряда последовательных измерений с заданной точностью приближения к предельному значению. Минимальную величину образцового изменения зазора находят на основе погрешности определения результатов опорного и дополнительного измерений, заданной допустимой точности измерений зазоров, погрешности изменения зазора на образцовую величину, а также значения зазора, подвергаемого коррекции. Профиль поверхности определяется на основе откорректированных средних значений зазоров в какой-либо серии последовательных измерений, в которой максимальная величина зазора не превышает значения, используемого для выбора величины образцового изменения зазора. 12 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к области создания средств и методов бесконтактного измерения неровностей поверхностей, геометрических размеров, эксцентриситета и перемещений деталей машин и механизмов.

Известны способы бесконтактного измерения профилей деталей машин для контроля их механического состояния с использованием, например, приборов на основе преобразователей емкостного и вихретокового типов (Харламов В.В. Методы и средства диагностирования технического состояния коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей и других коллекторных машин постоянного тока: Монография, Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2002, 233 с.). На результаты измерений данными устройствами при используемых методах измерений, как правило, оказывают влияние различного рода внешние факторы, например удельное электрическое сопротивление и температура контролируемых поверхностей, скорость относительного перемещения измерительного преобразователя и контролируемой поверхности, их взаимное расположение, а также вибрации деталей машин в динамических режимах, обусловленные силовыми воздействиями различной природы на контролируемые элементы и несовершенством подшипниковых узлов.

Известны способы бесконтактных измерений профиля коллектора и биения его рабочей поверхности в условиях вибраций с использованием, например, дифференциальных вихретоковых преобразователей либо дифференциальных схем измерения (Герасимов В.Г. и др. Методы и приборы электромагнитного контроля промышленных изделий. – М.: Энергоатомиздат, 1983, с.188). Однако данные методы измерений не устраняют влияние указанных выше внешних факторов на точность измерений в условиях отсутствия вибрационных воздействий, а при наличии вибраций в динамических режимах работы решают проблему повышения точности измерений лишь частично. Это обусловлено тем, что даже при идеальном профиле коллектора (контактного кольца или другого элемента в форме тела вращения) и отсутствии эксцентриситета зазоры между измерительными щелями дифференциального преобразователя и вращающейся контролируемой поверхностью в отдельные моменты времени не равны друг другу из-за вибраций якоря. Максимальная разница указанных выше зазоров для первой гармоники внешнего вибрационного воздействия определяется из уравнения

где А – амплитуда первой гармоники, м;

К – число коллекторных пластин.

В соответствии с данным выражением величина (перепад между рядом лежащими коллекторными пластинами), например, для коллекторной машины малой мощности (К=20, А=10^-5 м) может составлять почти ±3 мкм, что, как правило, больше допустимого перепада между уровнями соседних коллекторных пластин для данного класса машин, который составляет порядка 1,5-2,0 мкм. Следовательно, при данном способе измерений на выходе измерительного устройства будет фиксироваться ложная информация как о величине перепада между соседними коллекторными пластинами, так и о направлении смещения одной пластины относительно другой даже при идеальном профиле коллектора (=0). Реальный профиль коллектора, измеренный в соответствии с данным способом, также будет искажаться в результате воздействия внешних вибраций, а степень искажения будет зависеть как от числа коллекторных пластин, так и от характера вибраций. Кроме того, измерительные приборы, использующие рассмотренный способ измерения, имеют низкую универсальность, так как для разных типов машин с разной величиной коллекторного деления требуется отдельный измерительный преобразователь с соответствующим расстоянием между измерительными щелями.

Известен также способ бесконтактного измерения профиля контролируемой поверхности в динамических режимах, включающий измерение зазоров между измерительным преобразователем и контролируемой поверхностью, корректировку величин данных зазоров и определение профиля контролируемой поверхности на основе откорректированных значений зазоров (Герасимов В.Г. и др. Методы и приборы электромагнитного контроля промышленных изделий. – М.: Энергоатомиздат, 1983, с.200), который выбран в качестве прототипа предлагаемого изобретения.

В данном методе в отличие от предыдущего решаются задачи повышения универсальности его применения и снижения погрешностей измерений в отсутствие внешних вибраций путем динамической градуировки измерительного устройства с помощью образцовой медной пластины заданной высоты, наклеенной на одну из пластин коллектора, и соответствующей корректировки величин измеренных зазоров. В результате измерений зазоров между измерительным преобразователем и контролируемой поверхностью по данному методу определяется характер контролируемой поверхности со стороны измерительного преобразователя, который, по существу, является репликой профиля (линия поверхности, ограничивающая тело) контролируемого элемента. Непосредственно профиль контролируемого элемента определяют на основе измеренных зазоров расчетным путем либо используя соответствующие схемные решения в измерительном тракте прибора для измерения профиля.

Недостатком рассматриваемого способа является то, что он предполагает вмешательство в объект измерения (наклеивание образцовой пластины) и не гарантирует необходимую точность градуировки для остальных пластин коллектора, т.к. они могут иметь различное удельное электрическое сопротивление поверхностного слоя вследствие особенностей механической обработки поверхности коллектора, разную температуру и т.п., что непосредственно влияет на результаты измерений вихретоковым преобразователем. Кроме того, данный способ не учитывает изменение зазора между измерительным преобразователем и контролируемой поверхностью в динамических режимах работы, например, до вращающихся элементов машин вследствие наличия механической неидентичности положения вала в подшипниковых узлах от оборота к обороту. Данная неидентичность обусловлена неточностью изготовления подшипников скольжения или качения, явлениями изнашивания их элементов в процессе эксплуатации, а также вибрационными явлениями различного рода. Изменения зазора между измерительным преобразователем и одним и тем же местом контролируемой поверхности при этом могут достигать десятков мкм, что приводит к существенному расхождению измеренного профиля коллектора (определяется на основе откорректированных значений зазоров) и реального состояния поверхности коллектора.

Так, например, на фиг.1 представлена экспериментальная зависимость изменения зазора между неподвижным (относительно корпуса электродвигателя) измерительным преобразователем и рабочей поверхностью одной из ламелей коллектора универсального коллекторного двигателя от порядкового номера измерения при постоянной частоте вращения якоря. Из графика видно, что изменение указанного зазора в процессе вращения якоря достигает 35 мкм. Данная вариация величины зазора делает невозможным его точное определение и соответственно точное определение профиля коллектора по рассматриваемому способу.

Задачей изобретения является повышение точности бесконтактного измерения профиля контролируемой поверхности в динамических режимах работы (вращающихся или вибрирующих элементов машин и механизмов).

Поставленная задача достигается тем, что способ бесконтактного измерения профиля контролируемой поверхности в динамических режимах включает, также как в прототипе, измерение зазоров между измерительным преобразователем и контролируемой поверхностью, корректировку величин данных зазоров и определение профиля контролируемой поверхности на основе откорректированных значений зазоров.

Согласно изобретению в процессе измерений профиля производят, по меньшей мере, опорную и дополнительную серию последовательных измерений указанных выше зазоров, определяют средние значения зазоров в i-ой серии измерений y_ср.i, при этом между сериями опорных и дополнительных измерений изменяют зазор на образцовую величину, выбираемую из соотношения

где – максимальная погрешность увеличения зазора на образцовую величину, м;

п – максимальная погрешность определения y_ср.i в сериях опорных и дополнительных измерений, м;

х – допустимая погрешность измерений зазора, м;

х_{i max} – максимальная величина зазора в i-ой серии измерений, соответствующая максимальному результату измерения зазора y_{ср.i max}, м,

производят корректировку средних значений зазоров в сериях последовательных измерений согласно уравнению

x_p=у_ср.i/a

где – параметр градуировочной характеристики;

y_ср.о, y_ср.д – средние значения зазоров в опорной и дополнительной сериях последовательных измерений зазоров, м;

±_о – образцовая величина изменения зазора в сторону его увеличения либо уменьшения, м,

причем определение профиля контролируемой поверхности выполняют на основе откорректированных средних значений зазоров в какой-либо серии последовательных измерений, в которой максимальная величина зазора не превышает значения, используемого для выбора величины образцового изменения зазора _o.

Сущность предлагаемого способа измерения состоит в следующем. При использовании бесконтактного измерительного устройства (например, с вихретоковым преобразователем), градуировочная характеристика которого выполнена линейной (Бромберг Э.М., Куликовский К.Л. Тестовые методы повышения точности измерений. – М.: Энергия, 1978, 176 с.), зависимость выходного параметра от измеряемой величины записывается в виде выражения

где y – выходной параметр измерительного устройства на i-ой градуировочной характеристике, м;

х – измеряемый зазор между измерительным преобразователем измерительного устройства и контролируемой областью объекта контроля, м;

а_1i, a_2i – параметры i-ой градуировочной характеристики.

При надлежащих установке измерительного преобразователя относительно измеряемого объекта и настройке измерительного устройства может быть принято допущение

Тогда уравнение (1) преобразуется к виду:

Из данного выражения следует, что выходной параметр измерительного устройства пропорционален не только измеряемому зазору х, но и параметру а_2i i-ой градуировочной характеристики, являющемуся, по существу, коэффициентом усиления измерительного тракта, который в общем случае зависит от многих параметров, в том числе от внешних воздействий на объект измерения и элементы измерительного устройства.

Поэтому целесообразно осуществлять коррекцию параметра а_2i в процессе измерений, что позволяет повышать точность измерений. Это может быть выполнено, например, путем проведения опорного измерения и дополнительного измерения при увеличенном на образцовую величину зазоре. При этом будем иметь систему двух уравнений с одинаковым параметром а_2i, поскольку измерения проводятся на одном объекте при идентичных возмущающих воздействиях, влияющих на указанный параметр:

y₁=а_2i·х;

где _o – образцовая величина изменения зазора, м.

Решение системы (4) имеет следующий вид:

Из выражения (5) следует, что расчетное значение зазора не зависит от указанной выше нестабильности параметра а_2i. При этом обеспечивается повышение точности измерений. В случае уменьшения зазора на образцовую величину система исходных уравнений записывается аналогично системе (4)

y₁=а_2i·х;

Решение данной системы имеет вид:

Таким образом, выражения (5), (7) обеспечивают достаточно простую корректировку параметра а_2i линейной градуировочной характеристики измерительного устройства при любом направлении изменения зазора, что позволяет существенно снизить отрицательное влияние ряда факторов на результат измерения и повысить его точность в условиях отсутствия внешних вибрационных воздействий.

В случае, когда измеряемый зазор нестабилен в процессе измерений, как это продемонстрировано на фиг.1, целесообразно оперировать средними величинами выходных параметров измерительного устройства, которые определяются средними значениями указанного зазора, соответствующими величинам зазоров в отсутствие вибраций. Данное положение следует из допущения, что отклонения величины зазора между измерительным преобразователем и контролируемой поверхностью вращающихся (либо вибрирующих) элементов машин от его среднего значения являются периодической функцией. В этом случае указанный зазор может быть описан уравнением, которое включает сумму истинного значения зазора и ряда гармонических составляющих. Тогда среднее значение гармонических составляющих зазора стремится к нулю при достаточно большом числе измерений, а среднее значение зазора соответственно стремится к его истинному значению.

Например, пусть зазор описывается уравнением

где x_и – истинное значение зазора;

x_а – амплитуда первой гармоники отклонения зазора от его истинного значения;

– начальный угол первой гармоники;

– угловая частота вращения (или вибрации) элемента машины;

t – текущее время.

Тогда среднее значение зазора за заданное время t_з будет равно

где с – постоянная интегрирования.

Анализ выражения (9) показывает, что при t_з имеем x_срx_и.

Соответственно среднее значение выходного параметра измерительного устройства у_ср в этом случае будет стремиться к истинному значению y_и (y=х при а_2i=1).

Данные выводы справедливы и для любой дискретной сходящейся последовательности, примером которой может служить ряд последовательных измерений на фиг.1. Причем для подобного ряда всегда можно определить количество измерений N, при котором погрешность определения у_cp будет превышать заданной максимальной (предельной) величины п, т.е. выполняется условие

где

Поведение среднего значения измеряемой величины (измерение производится дискретно во времени) для рассмотренного случая (в уравнении (8) приняты следующие исходные величины параметров: x_и=110 мкм; х_а=20 мкм; =3141 с^-1; =1,57 рад.) иллюстрируется графиком на фиг.2, из которого видно, что среднее значение y_cp измеряемой величины при достаточно большом числе измерений приближается к ее истинному значению y_и (y_и=x_и=110 мкм при а_2i=1). Экспериментальные зависимости средних значений зазоров между измерительным преобразователем и ламелями носят аналогичный характер, что иллюстрируется кривой на фиг.3 (зависимость построена для результатов измерений на фиг.1). Существуют различные математические методы и программные продукты для нахождения предела числовой последовательности, представленной на фиг.2, на основе результатов измерений. Например, локальные максимумы (или минимумы) данной последовательности могут быть аппроксимированы логарифмической зависимостью, из которой определяется предел последовательности.

Таким образом, в условиях внешних вибраций величины зазоров целесообразно определять как средние значения из ряда последовательных измерений до момента достижения заданной точности приближения их величин к предельным значениям, что снижает негативное влияние внешних вибраций на точность измерений. При этом результаты опорной и дополнительной серий измерений также следует определять как средние значения ряда последовательных измерений, что позволяет повысить точность корректировки полученных в результате измерений значений зазоров.

Кроме того, из выражения (3) следует, что точность измерения зазора определяется не только погрешностью параметра градуировочной характеристики а_2i, но и максимальной величиной измеряемого зазора х. Задавшись требуемой точностью измерения зазора и зная величину максимального зазора в конкретной серии измерений (определяется рекомендуемым рабочим зазором в статическом режиме измерений и максимальными отклонениями зазора в динамическом режиме работы контролируемого элемента), можно найти допустимую относительную погрешность параметра а

где а – допустимая погрешность параметра а;

х – допустимая погрешность измерений зазора, м;

х – значение измеряемого зазора, м.

В зависимости от величин допустимой относительной погрешности параметра а, максимальной погрешности определения выходного параметра измерительного устройства п и максимальной погрешности увеличения зазора на образцовую величину (может быть обусловлена неточностью выполнения или измерения данного перемещения) рассчитывается образцовая величина изменения зазора из условия

Данное неравенство с учетом выражения (11) запишется в следующем виде

При выполнении условия (13) обеспечивается требуемая точность измерений в конкретной серии измерений профиля конкретного элемента.

Перемещение измерительного преобразователя на образцовую величину изменения зазора _о измеряют с помощью вспомогательной измерительной системы, а саму величину _o используют для определения параметра а_2i и результатов измерений в соответствии с выражением (3).

После определения откорректированных величин средних зазоров (по существу значений зазоров в отсутствии внешних вибраций) между измерительным преобразователем и контролируемой поверхностью (пример изменения зазора вдоль контролируемой поверхности представлен на фиг.4) находят профиль данной поверхности, например, путем вычитания из максимальной величины зазора текущих значений зазоров (результирующий профиль, полученный для зазоров на фиг.4, приведен на фиг.5) или путем вычитания из средней величины зазора текущих значений зазоров (результирующий профиль, полученный в данном случае для зазоров на фиг.4, приведен на фиг.6).

На фиг.1 представлена экспериментальная зависимость изменения зазора между неподвижным измерительным преобразователем и рабочей поверхностью одной из ламелей коллектора универсального коллекторного двигателя от порядкового номера измерения при постоянной частоте вращения якоря.

На фиг.2 приведена расчетная зависимость средних значений гармонически изменяющегося зазора от порядкового номера измерения.

На фиг.3 представлена зависимость средних значений результатов измерений зазора между неподвижным измерительным преобразователем и одной из ламелей коллектора универсального коллекторного двигателя от порядкового номера измерения при постоянной частоте вращения якоря.

На фиг.4 показана огибающая измеренных зазоров между измерительным преобразователем и ламелями коллектора вдоль дорожки скольжения (включает 22 коллекторных пластины в тангенциальном направлении).

На фиг.5 приведена огибающая профиля ламелей коллектора, найденная на основе соответствующих зазоров и их максимальной величины.

На фиг.6 изображена огибающая профиля ламелей коллектора, найденная на основе соответствующих зазоров и их средней величины.

На фиг.7 приведена структурная схема бесконтактного прибора вихретокового типа для измерения профиля.

На фиг.8 показан пример установки измерительного преобразователя относительно объекта измерения.

На фиг.9 представлены градуировочные характеристики бесконтактного прибора вихретокового типа для измерения профиля.

На фиг.10 изображены откорректированные расчетным путем градуировочные характеристики бесконтактного прибора вихретокового типа для измерения профиля.

На фиг.11 иллюстрируется влияние вибраций контролируемых поверхностей на результат измерения.

На фиг.12 приведен пример вывода результатов измерений зазора между неподвижным измерительным преобразователем и поверхностью коллектора на экран дисплея.

Сущность заявленного способа измерения может быть пояснена с помощью бесконтактного прибора вихретокового типа для измерения профиля, структурная схема которого приведена на фиг.7. Он состоит из измерительного преобразователя 1 (ИП) вихретокового типа, электрически связанного с аналоговой частью 2 (АЧ). Аналоговая часть 2 (АЧ) соединена с блоком аналого-цифрового преобразователя 3 (БАЦП) и стрелочным индикатором 4 (СИ). Блок аналого-цифрового преобразователя 3 (БАЦП) подключен к электронно-вычислительной машине 5 (ЭВМ), которая соединена с дисплеем 6 (Д), а также с устройством выдачи информации 7 (УВИ). Прибор также содержит датчик синхронизации 8 (ДС), соединенный с блоком синхронизации 9 (БС), который подключен к блоку аналого-цифрового преобразователя 3 (БАЦП).

Установка измерительного преобразователя 1 (ИП) относительно, например, коллектора 10 электрической машины может быть осуществлена с помощью устройства с микрометрическим винтом (фиг.8). Оно состоит из подвижного (в направлении, перпендикулярном цилиндрической поверхности коллектора 10) элемента 11, на котором крепится измерительный преобразователь 1 (ИП), корпуса 12, закрепленного на основании 13, неподвижном относительно опор вала 14, вращающегося элемента 15, шкалы отсчета 16 линейного перемещения элемента 11, а также электрического кабеля 17, соединяющего измерительный преобразователь 1 (ИП) с аналоговой частью 2 (АЧ) бесконтактного прибора вихретокового типа для измерения профиля.

Конструкции вихретоковых измерительных преобразователей 1 (ИП), аналоговой части 2 (АЧ), датчика синхронизации 8 (ДС) и блока синхронизации 9 (БС) данного прибора достаточно хорошо отработаны и описаны в технической литературе (Герасимов В.Г. и др. Методы и приборы электромагнитного контроля промышленных изделий. – М.: Энергоатомиздат, 1983; Харламов В.В. Методы и средства диагностирования технического состояния коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей и других коллекторных машин постоянного тока: Монография, Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2002, 233 с.). Блок аналого-цифрового преобразователя 3 (БАЦП) может состоять, например, из аналого-цифрового преобразователя AD7892-2, микроконтроллера ATmega128-16 и входного усилителя AD820. Функции электронно-вычислительной машины 5 (ЭВМ) может выполнять IBM PC – совместимый персональный компьютер (с процессором Intel Celeron 900 МГц, ОЗУ объемом 64 МБ, операционная система Windows ХР), а дисплея 5 (Д) – SVGA-монитор Samsung SyncMaster 551s. В качестве устройства выдачи информации 7 (УВИ) может использоваться принтер Lexmark Z12. Функции стрелочного индикатора 4 (СИ) может выполнять прибор М1690А.

Измерительный прибор на фиг.7 предназначен для измерения зазора между измерительным преобразователем, закрепленным на неподвижной базовой поверхности, и рабочими поверхностями коллекторов электрических машин в динамических режимах работы (в процессе вращения) и определения профилей коллекторов на основе данных зазоров. Погрешности измерений в этом случае могут быть обусловлены неодинаковыми удельными электрическими сопротивлениями отдельных ламелей коллектора (особенно их поверхностного слоя, свойства которого могут зависеть от технологии обработки), разностью температур нагрева ламелей и неточностью ориентации преобразователя относительно измеряемой цилиндрической поверхности, неидентичностью расположения ламелей в корпусе коллектора, взаимной скоростью перемещения объекта контроля и преобразователя.

Проблема снижения указанных погрешностей может быть в значительной степени решена путем коррекции параметра градуировочной характеристики (коэффициента усиления измерительного тракта прибора) в процессе измерения зазора между измерительным преобразователем и произвольно взятой ламелью (расстояние x на фиг.8) с использованием процедуры многократных последовательных измерений зазора и усреднения данных измерений.

Сущность данного способа можно пояснить на следующем примере.

Если параметр градуировочной характеристики (коэффициент усиления измерительного канала) определен при измерении зазора между измерительным преобразователем 1 (ИП) и ламелью №1 коллектора 10, то градуировочная характеристика прибора (y=f(x)) представляет собой прямую, проходящую через ноль под углом 45° к оси абсцисс (фиг.9). При этом значения на выходе прибора соответствуют истинному расстоянию от измерительного преобразователя 1 (ИП) до контролируемой поверхности ламели №1 коллектора 10, а прямая 1 является эталонной градуировочной характеристикой (выходной характеристикой измерительного прибора). Если расстояние между измерительным преобразователем 1 (ИП) и ламелью №1 равно базовому (рекомендуемое исходное расстояние от измерительного преобразователя 1 (ИП) до контролируемой поверхности коллектора 10), то на выходе прибора фиксируют значение у_а, соответствующее точке а на его градуировочной характеристике (y_a=x_баз).

В случае, если ламель №2 с тем же уровнем профиля, что и ламель №1, имеет другое удельное электросопротивление (температуру или неидентичное положение относительно измерительного преобразователя 1 (ИП)), то градуировочная характеристика прибора при контроле ламели №2 пойдет под другим углом к оси абсцисс (например, как прямая 2 на фиг.6). При этом показания прибора на ламели №2 (y_с) будут интерпретированы как расстояние х₂, соответствующее точке с’ на градуировочной характеристике 1. Измеренное значение х₂ здесь отличается от истинного значения x_баз.

По аналогии измеренному значению y_b на ламели №3 (характеристика 3), западающей на величину х₀₃ относительно ламелей №1, 2, будет присвоено ложное значение х₃, соответствующее точке b’ на эталонной характеристике 1. Для выступающей ламели №4 (на величину х₀₄ относительно ламелей 1, 2) ложное измеренное значение будет равно x₄, соответствующее точке d’ на характеристике 1 и т.д.

Для ликвидации расхождений между измеренными значениями и истинными величинами зазоров необходимо наклоны характеристик 2, 3, 4 привести к эталонному значению, которым является наклон характеристики 1. Тангенс угла наклона эталонной характеристики 1 равен 1. Углы наклона характеристик 2, 3, 4 в общем случае неизвестны и их требуется определить каким-либо образом.

С этой целью в процессе измерения осуществляют образцовое перемещение (_o) измерительного преобразователя 1 (ИП) относительно измеряемого объекта в сторону увеличения зазора, которое фиксируют, например, с помощью шкалы отсчета 16 (фиг.8) микрометрического винта (либо измерительных головок и т.п.). При этом фактическая величина зазора между измерительным преобразователем 1 (ИП) и ламелями №1,2 равна (х_баз+_o). Показание прибора для точки a₁ характеристики 1 равно y_a1 (y_a1=x_баз+_о). Показания прибора для ламелей 2, 3, 4 при этом равны y_c1, у_b1, y_d1.

В результате тангенсы углов наклона характеристик 2, 3, 4, … i находят по выражению

где _i – угол наклона i-ой характеристики;

y_i – приращение показаний прибора на i-ой характеристике при перемещении преобразователя на величину _o.

Это, по существу, позволяет определять параметры откорректированных градуировочных характеристик 2, 3, 4, … i

Соответственно откорректированные показания прибора на i-ой характеристике равны:

где x_pi – расчетное значение зазора на i-ой характеристике.

При этом откорректированные в соответствии с предложенным способом градуировочные характеристики прибора для ламелей №2, 3, 4 выглядят так, как это показано на фиг.10.

Откорректированная градуировочная характеристика для ламели №2 здесь совпадает с эталонной прямой 1. Соответственно показания прибора для ламелей 1, 2 в базовой точке равны у_{а, со}– что соответствует истинным значениям зазоров между измерительным преобразователем 1 (ИП) и ламелями №1, 2 (у_{а, со}=x_баз). Показание прибора на характеристике 3 при этом равно у_b0, что соответствует ординате точки b₀‘ на прямой 1 и зазору x₃ (х₃=x_баз+x₀₃). Аналогично показание прибора на характеристике 4 равно у_d0, что соответствует ординате точки d₀‘ на эталонной прямой 1 и зазору x₄ (х₄=x_баз-x₀₄).

Следовательно, откорректированные показания прибора соответствуют фактическим значениям зазоров между измерительным преобразователем 1 (ИП) и контролируемыми коллекторными пластинами.

Аналогично может быть выполнена корректировка параметра градуировочной характеристики в случае уменьшения зазора на образцовую величину _o.

Описанная выше процедура корректировки параметра градуировочной характеристики измерительного прибора справедлива при стабильном положении контролируемых поверхностей относительно измерительного преобразователя 1 (ИП). При наличии вибраций коллектора 10 величина зазора х колеблется относительно его среднего значения (точки х_баз и х_баз+_о для рассмотренного выше случая на фиг.9), т.е. зазор изменяется в пределах х-х_з<х<х+х_з, как это показано на фиг.11 (x_з – отклонение зазора от его среднего значения). Соответственно показания измерительного прибора также изменяются в пределах y-yy (y – отклонение отдельных показаний измерительного прибора от среднего значения показаний в процессе измерений), как это продемонстрировано на фиг.11. Как видно из фиг.11, вибрации контролируемой поверхности приводят к ложной оценке величины приращения показаний измерительного прибора, соответствующего приращению зазора на образцовую величину перемещения _o. Указанное приращение показаний измерительного прибора варьируется от y_min=(y_a1–y)-(y_a+y) до y_max=(y_a1+y)-(y_a–y), что в соответствии с выражением (15) приводит к неточности определения параметра градуировочной характеристики а_i и к увеличению погрешности измерений. Для ее снижения следует использовать процедуру отыскания среднего значения показаний с заданной погрешностью п в соответствии с выражением (10).

Кроме того, поскольку погрешность определения параметра а_i зависит не только от величины приращения показаний измерительного прибора y_i, но и от величины образцового перемещения _о (уравнение 15), то его минимальную величину определяют исходя из допустимой погрешности п, заданной погрешности увеличения зазора на образцовую величину , а также допустимой относительной погрешности параметра градуировочной характеристики в соответствии с выражением (12).

При выполнении условия (12) обеспечивается требуемая относительная погрешность параметра градуировочной характеристики , которую находят из уравнения (11).

Из выражения (11) следует, что требования к точности определения параметра а возрастают по мере повышения заданной точности измерений зазора, а также величины самого зазора, т.е. расстояния, на которое отводят измерительный преобразователь 1 (ИП) от контролируемой поверхности коллектора 10 в процессе текущей серии измерений. Следовательно, чем меньше значение измеряемого зазора, тем больше величина допустимой относительной погрешности параметра градуировочной характеристики и тем меньше требуемая величина образцового перемещения _o. Поэтому в условиях ограничения максимальной величины образцового перемещения _о (зависит от величины линейного участка выходной характеристики измерительного тракта) целесообразно выполнять измерения на минимально возможном расстоянии от контролируемой поверхности. При этом в условиях внешних вибраций результаты измерений находят как средние значения последовательных измерений

где y_i,n – результаты последовательных измерений с порядковым номером n в i-ой серии измерений, м;

N_i – число последовательных измерений в i-ой серии измерений, обеспечивающих достижение заданной максимальной погрешности определения y_i.

Измерение зазора между измерительным преобразователем 1 (ИП) и рабочей поверхностью коллектора 10 на фиг.11 и профиля коллектора 10 при данном способе состоит в следующем. Сначала оператор задает требуемую величину погрешности измерений х (например, х=1 мкм), допустимую погрешность п (выбирают исходя из заданного ограничения времени измерений в каждой серии измерений, которое возрастает при снижении величины п, т.к. это сопряжено с увеличением числа измерений N; например, п=1 мкм), а также максимальную погрешность изменения зазора на образцовую величину (например, =1 мкм), которая определяется точностью применяемых для этого измерительных средств. Указанные исходные данные вводят в память электронно-вычислительной машины 5 (ЭВМ). После этого измерительный преобразователь 1 (ИП) устанавливают на базовом расстоянии (например, около 300 мкм) от коллектора 10 (контролируют с помощью стрелочного индикатора 4 (СИ), осциллографа или показаний на экране дисплея 6 (Д)). Затем контролируемый коллектор 10 приводят во вращение и фиксируют величину минимального зазора между измерительным преобразователем 1 (ИП) и ламелями коллектора 10 в процессе работы машины. Минимальный зазор доводится оператором до рекомендуемого (данная величина для машин малой мощности, как правило, составляет около 100 мкм) с помощью вращающегося элемента 15. На данном этапе с помощью измерительного прибора определяют максимальное значение зазора (х_i,max) до i-ой ламели в процессе работы машины (например, 120 мкм), которое вводят в расчетную программу электронно-вычислительной машины 5 (ЭВМ), управляющую измерениями (данный параметр используют для определения максимального значения базового перемещения _o). После этого регистрируют первую серию опорных показаний зазоров между измерительным преобразователем 1 (ИП) и ламелями коллектора 10 (в соответствии с установленной командой руководства пользователя конкретного типа измерительного прибора). Число измерений зазора по окружности коллектора 10 в каждом последовательном измерении равно числу коллекторных пластин, а количество последовательных измерений в опорной серии (N_o, т.е. число оборотов якоря, на протяжении которых выполняют опорные измерения) определяют исходя из выполнения условия (10) для каждой ламели коллектора 10 (отслеживается в автоматическом режиме электронно-вычислительной машиной 5 (ЭВМ) в соответствии с заданным алгоритмом). Данные средних опорных значений показаний измерительного прибора для каждой из ламелей хранят в оперативной памяти электронно-вычислительной машины 5 (ЭВМ). Так, например, среднее опорное значение показаний измерительного прибора для первой ламели (y_cp.o1) равно 102 мкм. В процессе измерений сигнал с аналоговой части 2 (АЧ) (предназначена для генерирования сигналов высокой частоты, поступающих на измерительный преобразователь 1 (ИП), выделения, усиления и преобразования полезного сигнала, поступающего с измерительного преобразователя 1 (ИП)) поступает в блок аналогово-цифрового преобразователя 3 (БАЦП), с которого в оцифрованном виде передается в электронно-вычислительную машину 5 (ЭВМ). Там сигнал обрабатывается и определяются значения измеряемого параметра. Датчик синхронизации 8 (ДС) и блок синхронизации 9 (БС) обеспечивают подачу синхронизирующих импульсов в блок аналого-цифрового преобразователя 3 (БАЦП), что и позволяет осуществить привязку результатов измерений к конкретным ламелям коллектора 10.

Затем определяют минимальную величину образцового изменения зазора _o в соответствии с уравнениями (11), (12). В данном случае имеем

После этого измерительный преобразователь 1 (ИП) перемещают относительно корпуса 11 в радиальном направлении коллектора 10 (в данном случае в сторону увеличения зазора х) на расстояние, равное или превышающее 363 мкм (например, _о=400 мкм), с помощью вращающегося элемента 15 (перемещение измерительного преобразователя 1 (ИП) контролируют с помощью шкалы отсчета 16. Возможно также использование стандартных измерительных приборов контактного типа либо обеспечение заданного перемещения иным способом с точностью 1 мкм). При этом максимальный зазор между измерительным преобразователем 1 (ИП) и контролируемой поверхностью коллектора 10 не должен превышать максимальной измеряемой величины зазора для используемого типа измерительного прибора (например, 600 мкм). Затем регистрируют вторую серию дополнительных показаний указанных выше зазоров в тех же условиях работы машины, при которых снималась первая опорная серия показаний. Число измерений зазора по окружности коллектора 10 в каждом последовательном измерении, как и в предыдущем случае, равно числу коллекторных пластин, а количество последовательных измерений в дополнительной серии (N_д, т.е. число оборотов якоря, на протяжении которых выполняются дополнительные измерения) определяют исходя из выполнения условия (10) для каждой ламели коллектора 10. Данные средних дополнительных значений показаний измерительного прибора для каждой из ламелей также сохраняют в оперативной памяти электронно-вычислительной машины 5 (ЭВМ). Так, например, среднее дополнительное значение показаний измерительного прибора для первой ламели (y_ср.д1) равно 510 мкм. После этого электронно-вычислительная машина 5 (ЭВМ) производит математическую обработку экспериментальных данных в соответствии с выражением (5), включающую определение параметров откорректированных градуировочных характеристик измерительного тракта для каждой из ламелей по описанному выше способу. Например, для первой ламели параметр а равен

Результаты измерений корректируют в соответствии с уравнением (16). При этом используют результаты опорной серии измерений, когда величина зазора не превышала х_i,max (величина максимального зазора, исходя из которой определена допустимая относительная погрешность параметра а, и соответственно минимальное образцовое изменение зазора _о). Так, например, для первой ламели имеем среднее расчетное значение зазора в серии опорных измерений

x_p1=y_ср.о1/a₁=102/1,02=100 мкм.

В данном примере без корректировки параметра а неточность определения зазора (x₁-x_p1) составила бы 2 мкм.

После этого определяют координату профиля первой ламели относительно той или иной базы, например относительно максимального значения зазора в опорной серии измерений (х_i,max=120 мкм)

x_п1=x_i,max-x_p1=120-100=20 мкм.

Кроме опорной и дополнительной серий измерений могут быть проведены и другие серии измерений на разном расстоянии от коллектора 10. В этом случае результаты той серии, в которой зазоры не превышали х_i,max (величина максимального зазора, исходя из которой определена допустимая относительная погрешность параметра а, и соответственно минимальное образцовое изменение зазора _о), могут быть также использованы для определения координат профиля коллектора.

Возможен вариант выполнения измерений по заявленному способу, в котором зазор в процессе измерений уменьшают на образцовую величину _о. В этом случае измерительный преобразователь 1 (ИП) может быть вначале установлен на расстоянии, близком к максимальному (например, среднее расстояние 535 мкм) от коллектора 10 (контролируют с помощью стрелочного индикатора 4 (СИ), осциллографа или показаний на экране дисплея 6 (Д)). Затем контролируемый коллектор 10 приводят во вращение и регистрируют первую серию опорных показаний зазоров между измерительным преобразователем 1 (ИП) и ламелями коллектора 10. Число измерений зазора по окружности коллектора 10 в каждом последовательном измерении равно числу коллекторных пластин, а количество последовательных измерений в опорной серии (N_o, т.е. число оборотов якоря, на протяжении которых выполняют опорные измерения) определяют исходя из выполнения условия (10) для каждой ламели коллектора 10. Данные средних опорных значений показаний измерительного прибора для каждой из ламелей хранят в оперативной памяти электронно-вычислительной машины 5 (ЭВМ). Так, например, среднее опорное значение показаний измерительного прибора для первой ламели (y_cp.o1) равно 535,5 мкм. После этого фиксируют величину максимального отклонения зазора между измерительным преобразователем 1 (ИП) и ламелями коллектора 10 в процессе работы машины от его среднего значения (например, х_з=10 мкм). Определяют максимальное расчетное значение зазора х_i,max=120 мкм (не менее суммы минимального рекомендованного зазора в процессе работы машины (как и в предыдущем случае равен 100 мкм) и удвоенного отклонения х_з=10 мкм), которое вводят в расчетную программу электронно-вычислительной машины 5 (ЭВМ). Среднее значение зазора в серии предполагаемых дополнительных измерений с х_i,max=120 мкм должно составлять 110 мкм. Затем рассчитывают минимальную величину образцового изменения зазора _о в соответствии с уравнениями (11), (12). В данном случае имеем

Поскольку разница между средним зазором в серии опорных измерений (535 мкм) и средним зазором в предполагаемой серии дополнительных измерений (110 мкм) равна 425 мкм, т.е. больше расчетного значения _о (363 мкм), то уменьшают зазор между измерительным преобразователем 1 (ИП) и ламелями коллектора 10, например, до 110 мкм с помощью вращающегося элемента 15 с заданной точностью в 1 мкм.

Затем регистрируют вторые серии дополнительных показаний зазоров в тех же условиях работы машины, при которых снималась первая серия показаний. Число измерений зазора по окружности коллектора 10 в каждом последовательном измерении, как и в предыдущем случае, равно числу коллекторных пластин, а количество последовательных измерений в дополнительной серии (N_д, т.е. число оборотов якоря, на протяжении которых выполняют дополнительные измерения) определяют исходя из выполнения условия (10) для каждой ламели коллектора 10. Данные средних дополнительных значений показаний измерительного прибора для каждой из ламелей также сохраняют в оперативной памяти электронно-вычислительной машины 5 (ЭВМ). Так, например, среднее дополнительное значение показаний измерительного прибора для первой ламели (y_cp.д1) равно 102 мкм. После этого электронно-вычислительная машина 5 (ЭВМ) производит математическую обработку экспериментальных данных в соответствии с выражением (7), включающую определение параметров откорректированных градуировочных характеристик измерительного тракта для каждой из ламелей по описанному выше способу. Например, для первой ламели параметр а будет равен

Результаты измерений корректируют в соответствии с уравнением (16). При этом используют результаты дополнительной серии измерений, когда величина зазора не превышала х_i,max (величина максимального зазора, исходя из которой определена допустимая относительная погрешность параметра а, и соответственно минимальное образцовое изменение зазора _o). Так, например, для первой ламели имеем среднее расчетное значение зазора в серии дополнительных измерений

x_p1=y_ср.д1/а₁=102/1,02=100 мкм.

В данном примере неточность определения зазора (x₁-x_p1) без корректировки параметра а также составила бы 2 мкм.

После этого определяют координату профиля первой ламели относительно той или иной базы, например относительно максимального значения зазора в дополнительной серии измерений (х_i,max=120 мкм)

x_п1=x_i,max-x_p1=120-100=20 мкм.

Кроме опорной и дополнительной серий измерений в данном случае также могут быть проведены и другие серии измерений на разном расстоянии от коллектора 10. В этом случае результаты той серии, в которой зазоры не превышали х_i,max (величина максимального зазора, исходя из которой определена допустимая относительная погрешность параметра а, и соответственно минимальное образцовое изменение зазора _о), могут быть также использованы для определения координат профиля коллектора. При этом будут обеспечены измерения с заданной погрешностью.

Следовательно, величина параметра а откорректированной градуировочной характеристики для рассматриваемой ламели не зависит от направления изменения зазора на образцовую величину _о (как в случае увеличения, так и уменьшения зазора параметр a₁=1,02). Аналогично определяют параметры а для других ламелей коллектора 10, а также откорректированные (расчетные) зазоры между ними и измерительным преобразователем 1 (ИП) и координаты профилей ламелей коллектора 10.

Конечные данные о зазорах между измерительным преобразователем 1 (ИП) и ламелями коллектора 10, а также о координатах профиля коллектора 10 выдаются на экран дисплея 5 (Д) в виде диаграмм или таблиц, которые могут быть в дальнейшем сохранены в том или ином виде (например, в виде электронных копий или на бумажном носителе с помощью устройства выдачи информации 7 (УВИ)). Пример вывода результатов измерений указанных зазоров и профиля коллектора 10 на дисплей 5 (Д) приведен на фиг.12. Здесь на верхней диаграмме приведена преобразованная кривая изменения зазора между измерительным преобразователем 1 (ИП) и ламелями коллектором 10 в процессе его вращения. Локальные максимумы данной кривой соответствуют положению измерительного преобразователя 1 (ИП) над той или иной ламелью коллектора 10, а величины данных максимумов определяются величинами зазоров между измерительным преобразователем 1 (ИП) и ламелями коллектора 10. Чем меньше указанный зазор, тем больше величина максимума. На нижней диаграмме фиг.12 представлен итоговый профиль коллектора 10, уровни ламелей на которой соответствуют величинам локальных максимумов на верхней диаграмме.

Если условия, при которых определяют параметры а откорректированных градуировочных характеристик, не изменяются в процессе эксплуатации коллектора 10 (неизменная температура ламелей коллектора 10 и установка измерительного преобразователя 1 (ИП)), то данные параметры используют и при дальнейших измерениях профиля, который может изменяться со временем в результате явлений изнашивания, либо при изменении частоты вращения коллектора 10.

Расчет образцовой величины изменения зазора можно выполнять и перед проведением опорного измерения на основе заданных погрешностей измерений и изменения зазора, а также заданной погрешности параметра градуировочной характеристики. Изменение зазора на образцовую величину может быть выполнено как перемещением измерительного преобразователя 1 (ИП) относительно объекта измерения, так и перемещением самого объекта относительно измерительного преобразователя 1 (ИП), что определяется технологической целесообразностью. Области объекта контроля, относительно которых измеряются зазоры, должны быть одними и теми же в опорном, дополнительном и других сериях измерений, что обеспечивает минимальную погрешность измерений.

Преобразования значений измеренных зазоров между измерительным преобразователем 1 (ИП) и контролируемой поверхностью в координаты профиля поверхности могут выполняться как в измерительном канале прибора, так и в электронно-вычислительной машине 5 (ЭВМ).

Аналогично могут быть выполнены измерения профиля вибрирующей поверхности какого-либо элемента изделия.

В качестве измерительных систем могут быть также использованы устройства с использованием волновых излучений, например, лазерного типа.

Формула изобретения

Способ бесконтактного измерения профиля контролируемой поверхности в динамических режимах, включающий измерение зазоров между измерительным преобразователем и контролируемой поверхностью, корректировку величин данных зазоров и определение профиля контролируемой поверхности на основе откорректированных значений зазоров, отличающийся тем, что в процессе измерений профиля производят, по меньшей мере, опорную и дополнительную серию последовательных измерений указанных выше зазоров, определяют средние значения зазоров в i-й серии измерений у_ср.i, при этом между сериями опорных и дополнительных измерений изменяют зазор на образцовую величину, выбираемую из соотношения

где – максимальная погрешность увеличения зазора на образцовую величину, м;

п – максимальная погрешность определения у_cp.i в сериях опорных и дополнительных измерений, м;

х – допустимая погрешность измерений зазора, м;

x_imax – максимальная величина зазора в i-й серии измерений, соответствующая максимальному результату измерения зазора у_ср.imax, м, производят корректировку средних значений зазоров в сериях последовательных измерений согласно уравнению

x_p=у_ср.i/a,

где – параметр градуировочной характеристики;

у_ср.о, у_ср.д – средние значения зазоров в опорной и дополнительной сериях последовательных измерений зазоров, м;

±_о – образцовая величина изменения зазора в сторону его увеличения, либо уменьшения, м,

причем определение профиля контролируемой поверхности выполняют на основе откорректированных средних значений зазоров в какой-либо серии последовательных измерений, в которой максимальная величина зазора не превышает значения, используемого для выбора величины образцового изменения зазора _о.

РИСУНКИ