ТЕМА 2.1 Измерительные системы в производстве.

Тема 2.1 Измерительные системы в производстве.

Роль и значение измерительной техники. История развития……………….стр 3

Основные понятия и определения………………………………………..…...стр 6

Общая классификация измерительных информационных систем………….стр 9

Тема 2.2. Измерения с помощью контрольно-измерительной машины.

Системы поддержания работоспособности гибких

производственных систем…………………………………………………….стр 17

Активные средства контроля………………………………………………….стр 27

Методика координатных измерений…………………………………………стр 57

Тема 2.3. Измерение высокоточной измерительной системой

Система лазерного слежения Tracker3……………………………………….стр 68

ТЕМА 2.1 Измерительные системы в производстве.

Роль и значение измерительной техники. История развития.

Измерительная техника - один из важнейших факторов ускорения научно-технического прогресса практически во всех отраслях народного хозяйства.

При описании явлений и процессов, а также свойств материальных тел используются различные физические величины, число которых достигает нескольких тысяч: электрические, магнитные, пространственные и временные; механические, акустические, оптические, химические, биологические и др. При этом указанные величины отличаются не только качественно, но и количественно и оцениваются различными числовыми значениями.

Установление числового значения физической величины осуществляется путем измерения. Результатом измерения является количественная характеристика в виде именованного числа с одновременной оценкой степени приближения полученного значения измеряемой величины к истинному значению физической величины. Укажем, что нахождение числового значения измеряемой величины возможно лишь опытным путем, т. е. в процессе физического эксперимента.

При реализации любого процесса измерения необходимы технические средства, осуществляющие восприятие, преобразование и представление числового значения физических величин.

На практике при измерении физических величин применяются электрические методы и неэлектрические (например, пневматические, механические, химические и др.).

Электрические методы измерений получили наиболее широкое распространение, так как с их помощью достаточно просто осуществлять преобразование, передачу, обработку, хранение, представление и ввод измерительной информации в ЭВМ.

Технические средства и различные методы измерений составляют основу измерительной техники. Любой производственный процесс характеризуется большим числом параметров, изменяющихся в широких пределах. Для поддержания требуемого режима технологической установки необходимо измерение указанных параметров. При этом, чем достовернее осуществляется измерение технологических параметров, тем лучше качество целевого выходного продукта.

Получение и обработка измерительной информации предназначены не только для достижения требуемого качества продукции, но и организации производства, учета и составления баланса количества вещества и энергии. В настоящее время важной областью применения измерительной техники является автоматизация научно-технических экспериментов. Для повышения экономичности проектируемых объектов, механизмов и машин большое значение имеют экспериментальные исследования, проводимые на их физических моделях. При этом задача получения и обработки измерительной информации усложняется настолько, что ее эффективное решение становится возможным лишь на основе применения специализированных измерительно-вычислительных средств.

Роль измерительной техники подчеркнул великий русский ученый Д.И. Менделеев: "Наука начинается с тех пор, как начинают измерять...".

Измерительная техника начала свое развитие с 40-х годов XVIII в. и характеризуется последовательным переходом от показывающих (середина и вторая половина XIX в.), аналоговых самопишущих (конец XIX - начало XX в.), автоматических и цифровых приборов (середина XX в. - 50-е годы) к информационно-измерительным системам.

Конец XIX в. характеризовался первыми успехами радиосвязи и радиоэлектроники. Ее развитие привело к необходимости создания средств измерительной техники нового типа, рассчитанных на малые входные сигналы, высокие частоты и высокоомные входы. В этих новых средствах измерительной техники использовались радиоэлектронные компоненты - выпрямители, усилители, модуляторы и генераторы (ламповые, транзисторные, на микросхемах), электронно-лучевые трубки (при построении осциллографов) и др.

Таким образом, расширение номенклатуры и качественных показателей средств измерительной техники неразрывно связано с достижениями радиоэлектроники. Одним из современных направлений развития измерительной техники, базирующейся на достижениях радиоэлектроники, являются цифровые приборы с дискретной формой представления информации. Такая форма представления результатов оказалась удобной для преобразования, передачи, обработки и хранения информации. Развитие дискретных средств измерительной техники в настоящее время привело к созданию цифровых вольтметров постоянного тока, погрешность показаний которых ниже 0,0001 %, а быстродействие преобразователей напряжение - код достигает нескольких миллиардов измерений в секунду; верхний предел измерения современных цифровых частотомеров достиг гигагерца; цифровые измерители временного интервала имеют нижний предел измерения до долей пикосекунды; электрические токи измеряются в диапазоне от 10~16 до 105 А, а длины - в диапазоне от 10~12 (размер атомов) до 3,086 • 1016 м

Широкие возможности открылись перед измерительной техникой в связи с появлением микропроцессоров (МП) и микроЭВМ. Благодаря им значительно расширились области применения средств измерительной техники, улучшились их технические характеристики, повысились надежность и быстродействие, открылись пути реализации задач, которые ранее не могли быть решены.

По широте и эффективности применения МП одно из первых мест занимает измерительная техника, причем все более широко применяются МП в системах управления. Трудно переоценить значение МП и микроЭВМ при создании автоматизированных средств измерений, предназначенных для управления, исследования, контроля и испытаний сложных объектов.

Развитие науки и техники требует постоянного совершенствования средств измерительной техники, роль которой неуклонно возрастает.

Рассмотренные выше измерительные информационные системы показывают, что почти для каждого типа ИИС используется цепочка из аппаратных модулей (измерительных, управляющих, интерфейсных, обрабатывающих). Таким образом, обобщенная структурная схема ИИС содержит:

· множество различных первичных измерительных преобразователей, размещенных в определенных точках пространства стационарно или перемещающихся в пространстве по определенному закону;

· множество измерительных преобразователей, которое может состоять из преобразователей аналоговых сигналов, коммутаторов аналоговых сигналов, аналоговых вычислительных устройств, аналоговых устройств памяти, устройств сравнения аналоговых сигналов, аналоговых каналов связи, аналоговых показывающих и регистрирующих измерительных приборов;

· группу аналого-цифровых преобразователей, а также аналоговых устройств допускового контроля;

· множество цифровых устройств, содержащее формирователи импульсов, преобразователи кодов, коммутаторы, специализированные цифровые вычислительные устройства, устройство памяти, устройство сравнения кодов, каналы цифровой связи, универсальные программируемые вычислительные устройства - микропроцессоры, микроЭВМ и др.;

· группу цифровых устройств вывода, отображения и регистрации, которая содержит формирователи кодоимпульсных сигналов, печатающие устройства, накопители информации, дисплеи, сигнализаторы, цифровые индикаторы;

· множество цифроаналоговых преобразователей;

· указанные функциональные блоки соединяются между собой через стандартные интерфейсы или устанавливаются жесткие связи;

· интерфейсные устройства (ИФУ), содержащие системы шин, интерфейсные узлы и интерфейсные устройства аналоговых блоков, служащие главным образом для приема командных сигналов и передачи информации о состоянии блоков. Например, через интерфейсные устройства могут передаваться команды на изменение режима работы, на подключение заданной цепи с помощью коммутатора;

· устройство управления, формирующее командную информацию, принимающее информацию от функциональных блоков и подающее команды на исполнительные устройства для формирования воздействия на объект исследования (ОИ).

Однако не для всякой ИИС требуется присутствие всех блоков. Для каждой конкретной системы количество блоков, состав функций и связи между блоками устанавливаются условиями проектирования.

Рисунок 2 - Информационно-измерительная система

К размерному контролю относят совокупность операций контроля, базирующихся на измерении геометрических размеров. Размерный контроль проводится не только после окончания обработки деталей, с целью выявления брака, но и в процессе обработки и перед ней, что дает возможность внести коррекцию в процесс обработки и, следовательно, достигнуть требуемого качества деталей.

Требования к размерному контролю зависят от особенностей ГПС. Так, уровень автоматизации производства и организация обслуживания определяют и уровень автоматизации размерного контроля. Рассмотрим это на примере контроля припусков, который включает измерение заготовки, расчет фактического припуска, определение числа и траектории дополнительных проходов.

Измерение и расчет припуска должны проводиться для каждой заготовки. Так как при коротком цикле обработки заготовки для проведения ручных операций нужно постоянное присутствие оператора у станка, необходимость автоматизации контроля в этом случае очевидна. Когда продолжительность обработки велика, а процедура измерений несложная, то автоматизация измерений может быть не обязательно. Если же ставится задача работы оборудования в "безлюдном" режиме, все этапы измерений и расчетов должны осуществляться в автоматическом цикле без участия оператора.

В настоящее время на станках с ЧПУ для измерения размеров деталей применяют универсальный мерильный инструмент: нутромеры, микрометры, индикаторы, калибры. Для контроля, проводимого вне станка на специальных контрольных постах (станциях), дополнительно используют специальные оправки, рейсмусы, иногда инструментальные микроскопы. Работа с таким мерительным инструментом требует большого внимания со стороны контролеров. Так как комплексную проверку деталей можно проводить только при наличии большой номенклатуры мерительных инструментов и это требует как специальных навыков, так и кропотливых расчетов, то на практике многие размеры часто не контролируются и проверяются лишь выборочные детали.

Задачи размерного контроля в ГПС можно классифицировать по ряду признаков: цели измерения, виду объектов измерения, средствам измерения. Назначение размерного контроля зависит от конструктивных особенностей деталей и станков, технологических процессов и других факторов. Так, задачей контроля обработанной детали может быть предупреждение подачи на сборку бракованных деталей или своевременная подналадка режущего инструмента. Обе задачи можно реализовать совместно, так как они основываются на измерении одних и тех же размеров.

Для достижения одной и той же цели могут проводиться измерения различных объектов: деталей, заготовок, инструментов, приспособлений, палет, эталонных поверхностей. Подналадка токарных резцов в одних случаях ведется по данным измерения положения режущей кромки резца, в других — по результатам измерения диаметров одного или нескольких обработанных валов.

Эффективная эксплуатация ГПС, особенно в "безлюдном" и даже "малолюдном" режиме, невозможна без оснащения ГПС средствами автоматического (или хотя бы автоматизированного) размерного контроля. К таким средствам относятся индикаторы контакта на станке и координатно-измерительные машины (КИМ) вне станка (специальные контрольные приспособления, используемые в массовом и крупносерийном производстве, здесь не рассматриваются).

Процесс центровки заключается в создании реперной оси в виде лазерного пучка с кольцевой структурой, относительно которого производится монтаж и контроль узлов в проточной части турбины.

Контроль положения узлов проточной части турбины производят по электронно-оптическому устройству ФЭП, установленному в классное посадочное отверстие центратора.

Комплекс обеспечивает высокую точность и прост в применении.

Лазерная система Тгаскеr3 имеет следующее обозначение:

- LTS-1000 (Включая интерферометр и Turbo ADM модули)

Номер модели и серийный номер напечатан на ярлыке, находящемся на обратной стороне головки Трекера рядом с местом присоединения кабеля Трекер/ Контроллер (рисунок №1)

ТрекерЗ это портативная, высокоточная координатно-измерительная система. Она включает в себя интерферометр, основанный на лазерной оптике и сервопривод с современной технологией контроля положения по отношению к цели. ТрекерЗ также включает в себя уникальную API-систему " TURBO ADM" для повышения производительности. Со специализированным программным обеспечением, информация о текущем позиционировании может быть использована для измерения расстояния между точками, установки виртуальных осей, отслеживания перемещения движущихся частей оборудования или сравнения реальных объектов с CAD моделями.

Данная система может быть использована при создании и инспектировании соединений, проверки больших составных систем и их частей, калибровке роботов, а также для регистрации погрешностей станков и координатно-измерительных машин (КИМ). Другое применение включает в себя точечные измерения конфигурации объектов, наблюдение за деформацией участка, находящегося под напряжением, выравнивание частей и сканирование больших поверхностей.

При проведении измерений, лазерный луч отражается от зеркальной марки цели (SMR). Лазерный трекер (следящая система) определяет координаты отражателя по измерению двух углов, вертикальному (ЕI) и горизонтальному (AZ) и радиальному расстоянию. Углы ЕI и AZ определяются при помощи угловых датчиков азимутальной (горизонтальной) оси и (вертикальной) оси вращения лазерного Трекера. Интерферометр измеряет изменение расстояние по отклонению световой волны. Данные о координатах передаются в главный компьютер для анализа. Специализированная программа преобразовывает полученную информацию из системных данных в систему координат, заданную пользователем.

Следящая головка состоит из однолучевого лазерного интерферометра и находится в двухосевом корпусе, который приводится в движение сервомотором. Данное устройство спроектирована для отслеживания цели путем активного контроля смещения лазерного луча при его движении. Следящий механизм присоединен к установочной базе, которая может быть закреплена на треноге или на плоской поверхности с использованием дополнительной трех опорной базы. В верхней части лицевой стороны головки Трекера расположены два индикатора красного (лазер) и зеленого (слежение/захват) цветов. Ниже приведена таблица режимов работы индикаторов.

Таблица 2. Режимы индикаторов головки Трекера

Блок контроллера - основной компонент контроля системы Лазерный ТрекерЗ. Сюда включены системы, отвечающие за управление или работу с обратной связью следующих аппаратных средств и датчиков:

· Двухосевой фотодатчик для измерения горизонтального и вертикального отклонения SMR

Контроллер имеет три выключателя: питание сервомотора, питание лазера и клавиша перезагрузки блока. Основное питание должно быть включено прежде питания сервомотора. Еще раз напоминаем, что в контроллере нет частей, которые пользователь может изменять самостоятельно.

НЕ ПЫТАЙТЕСЬ изменять внутренние параметры и настройки!

Система ТрекерЗ обладает высокой портативностью и предлагает несколько вариантов установки. Стандартная комплектация системы включает в себя треногу API Quicklink. Данная система поддержки состоит из двух частей и может быть подсоединена к любому инструментальному стенду со стандартной резьбой диаметра 3,5 дюйма. Также, Трекер может быть установлен на специальные опорные ножки для непосредственного крепления к части машины или установки на другую плоскую поверхность.

ТрекерЗ поддерживает TCP/IP стандарт для обмена информацией между Трекером, контроллером и управляющим ПК. Таким образом, компьютер должен иметь возможность присоединения к сети и должен быть правильно настроен.

После того, как система была установлена по оговоренной последовательности действий, перед проведением последующих измерений следует провести проверку установки оборудования.

Важное замечание: Следующая инструкция предполагает использование складной треноги торговой марки API. В случае использования опоры другого производителя, следуйте прилагающейся к ней инструкции. Даже принимая во внимание то, что разные варианты дополнительного оборудования предполагают схожую процедуру установки, наша фирма не может гарантировать успех установки нашего оборудования с применением каких-либо других устройств, произведенных не фирмой API.

· Убедитесь, что опоры треноги приведены в крайние положения и охватывающее кольцо передвинуто до упора.

· Убедитесь в надежности крепления соединений:

· Охватывающее кольцо внизу стойки (один винт)

· Стопорных болтов телескопической трубы (х2)

· Убедитесь, что цифровой датчик температуры не находится напротив нагретых объектов и показывает верное значение температуры места проведения измерений.

После правильной установки и калибровки, Лазерный ТрекерЗ будет обеспечивать снятия данных в соответствии с требованиями Национального Института Стандартов и Технологий (National Institute of Standards and Technology (NISI)). К оборудованию прилагается сертификационный лист, в котором перечислены компоненты системы лазерного Трекера, удовлетворяющие упомянутым стандартам.

В данной главе приведена информация об уходе за оптикой и правильном хранении оборудования. Лазер и электронные компоненты, использованные в данной системе, не подлежат сервисному обслуживанию самим пользователем. В случае некорректной работы, оборудование в полной комплектации должно быть возвращено API для устранения неполадок. Ознакомьтесь с главой о возможных неисправностях для решения текущих проблем.

Следящая система является высокоточным измерительным оборудованием, следовательно, как и любое другое лабораторное оборудование, она требует повышенной осторожности в обращении. Все оптические компоненты должны храниться в специальных переносных контейнерах. Переносной кейс с Трекером должен храниться в месте, имеющее тот же температурный режим, что и место работы с оборудованием.

Оптика, используемая системой ТрекерЗ, может быть повреждена неправильной или ненужной чисткой. Процедура очистки должна проводиться только в случае наблюдения загрязнений. Если оптика требует очистки, рекомендуется очищать только загрязненную часть, не затрагивая всю поверхность.

1.Переключите выключатели основного электропитания и электропитания сервомотора в положение "OFF" или "О".

2.Убедитесь, что выходное напряжение сети попадает в рамки от 100 до 263 В. Если нет, необходимо использовать адаптер. Убедитесь, что силовой кабель имеет сертификацию UL Listed and/or CSA Certified rated 300 Volts AC, 18 AWG, 75°C. Работа с Трекера при отключенном заземлении может причинить вред оператору или системе. Не используйте розетку или удлинитель только с двумя штырями. Убедитесь в наличии тока в источнике электропитания.

3.Убедитесь, что кабель, соединяющий контроллер и Трекер надежно закреплен и не поврежден.

4.Убедитесь, что метеостанция и сетевой кабель надежно присоединены к контроллеру (в данном случае нет необходимости в присоединении сетевого кабеля к компьютеру, но это будет необходимо сделать для работы с любым программным обеспечением.)

5.Проверьте силовой кабель контроллера на наличие повреждений. При нахождении повреждений, замените его на другой кабель стандарта UL Listed and/or CSA Certified rated 300 Volts AC, 18 AWG, 75°C.

6.Надежно присоедините силовой кабель к контроллеру и к источнику электропитания. Если вилка слишком свободно входит в розетку, можно несильно согнуть её концы для лучшего соединения.

7.Переведите выключатель электропитания в положение "ON" или "I".

8.ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: НИКОГДА НЕ ОТСОЕДИНЯЙТЕ И НЕ ПРИСОЕДИНЯЙТЕ КАБЕЛЬ ТРЕКЕР/КОНТРОЛЛЕР ПРИ ВКЛЮЧЕННОМ ЭЛЕКТРОПИТАНИИ. ЭТО МОЖЕТ ИСПОРТИТЬ ЭЛЕКТРОНИКУ.

9.Если оборудование все же не работает, просьба обращаться в службу поддержки API.

1.Ни в коем случае не смотрите в объектив лазера для того, чтобы убедится в его работе. Вместо этого поднесите листок белой бумаги к объективу или направьте лазер на стену или пол. При работе лазера должна появиться яркая красная точка.

2.Убедитесь, что шнур правильно подсоединен к Трекеру и электропитание включено. Если Трекер не подсоединен к контроллеру, отключите питание перед тем, как соединить их.

3.Убедитесь, что защитная крышка снята с объектива лазера.

4.Убедитесь, что красный индикатор на лазере постоянно горит. Если он мигает, лазер еще не готов к работе. Для нагрева лазера нужно как минимум 15 минут после включения электропитания (API рекомендует

ждать не менее часа с момента включения до начала работы для получения точных данных.)

5.Поместите небольшой лист белой бумаги на расстоянии нескольких сантиметров от лазерной головки по направлению лазерного луча. При работе лазера на бумаге должна появиться яркая красная точка.

6.В процессе нагрева, интенсивность лазерного луча будет меняться. Это нормальное явление для времени нагрева. Когда красный индикатор загорится постоянным светом, интенсивность лазерного луча стабилизируется.

7.Если в процессе работы на линзу лазера попала грязь, проведите очистку, следуя приведенной в данной инструкции процедуре.

8.Если оборудование все же не работает, просьба обращаться в службу поддержки API.

Убедитесь в надежности установки оборудования. Большинство отклонения могут появиться в результате ненадежности установки.

Низкая интенсивность возвратного сигнала (ADM или IFM) и/или трудности в отслеживании

Проверьте марку SMR на наличие дефектов. Используйте другую SMR и посмотрите на результат работы. Многие проблемы отслеживания связаны с отражателем и не зависят от системы.

· Связь между SA и интерфейсами измерительных проборов осуществляется через протокол TCP/IP.

· Связь между интерфейсами приборов осуществляется через протоколы RS-232, TCP/IP. NetBEUI, и т.д.

· Удаленное наблюдение осуществляется через протокол TCP/IP.

Графика - естественный способ представления трехмерной информации. Фактически, при необходимости проверки координат наиболее опытные пользователи представляют себе трехмерную картину, мысленно добавляя по одной точке и определяя, связаны ли ее координаты с координатами уже имеющихся точек. Конечно, этот подход имеет свои ограничения и рассчитан на пользователя, имеющего обширный опыт и хорошие трехмерные аналитические способности.

Стандартный метод отображения данных в Spatial Analyzer - графическое представление. При использовании графического окна пользователь может одновременно рассматривать все используемые в работе объекты из различных ракурсов. Графическое представление обеспечивает пользователю простоту ориентирования в полученных данных. Это должна быть первичная цель всего метрологического программного обеспечения.

Общий пользовательский интерфейс для измерительных приборов

Модульные интерфейсы измерительных приборов - основа сбора данных в Spatial Analyzer, Они обуславливают очень удобный и дружественный интерфейс для управления измерительными приборами в течение работы.

Рисунок №19. Общий пользовательский интерфейс

Для запуска приложения дважды щелкните на ярлык "TrackerCalib " на рабочем столе. Если ярлык отсутствует, программу можно запустить с помощью меню "Пуск" - Программы / API Laser Tracker System. После запуска программы трекер начинает вращаться, опрашивая угловые датчики. (ПРИМЕЧАНИЕ: система работает только после того, как было включено питание, или была произведена перезагрузка). После того как датчик будет найден, программа откроет основное окно приложения. Следует помнить, что необходимо в течение получаса прогреть лазерную головку для достижения более точных результатов. После чего лазерный индикатор сообщит о том, что головка нагрелась. Как только лазер будет готов, на дисплее будут отображаться числовые значения и загорится зеленый индикатор на верху трекера.

Основное окно приложения содержит ноля с различной графической информацией, которые предлагают пользователю обратную связь с трекером в добавление к двум панелям инструментов и главному меню. Эти окна описаны ниже

Окно координат - данное окно показывает местоположение цели в активной системе координат, которая может быть трансформирована в Декартову, цилиндрическую или сферическую систему координат. Расстояние между лазерной головкой и целью всегда выводится на экран.

Шкала интенсивности лазера - отображает интенсивность луча, отраженного целью. Для получения точных результатов измерений необходимо поддерживать непрерывность сигнала. Если сигнал будет потерян, то в главном меню будут выведены на экран только азимут и углы возвышения. Смотрите параграф 3.2.2.4 для выполнения процедуры повторного обнаружения цели.

Экран фото-сенсора - красная точка показывает, что активен сигнал слежения из фото-сенсора на лазерной головке. Этот индикатор будет смещаться из центра, как только SMR-отражатель будет передвинут и лазерная головка начнет следить за ним. Точка существенно не сдвинется, если SMR- отражатель зафиксирован в статичном положении.

Экран режима трекера - этот блок показывает текущий режим работы трекера. Таблица режимов работы и их описание показана справ.

Внизу экрана расположена строка состояния, которая показывает информацию о программе, а также следующие параметры трекера:

Licensee — лицензионное соглашение программного обеспечения для трекер

Running Time — показывает длительность работы трекера после запуска приложения.

Главное меню содержит несколько основных функций. Чтобы оценить эффективность системы операторам достаточно познакомиться с двумя опциями: Front sight / Back sight и Quick Volumetric Calibration.

Рисунок №40. Главное меню и функции приложения

1. Сурков И. В. Автоматизация контроля в машиностроении [Электронный ресурс] / И. В. Сурков. - Южно-уральский государственный университет, 2005. – 1 электрон. опт. диск.

2. Шишмарев В.Ю. Средства измерений: Учебник для сред. проф. образования / В. Ю. Шишмарев. – 3 – е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2009.- 320 с.