Системы автоматического контроля

Введение  

     Одной из главных особенностей развития машиностроения является решение проблем повышения  эффективности и качества выпускаемой  продукции. Эти проблемы охватывают широкий диапазон вопросов, причем большое значение в повышении  эффективности работы технологического оборудования и качества выпускаемых изделий отводится автоматизации контрольных операций. Это связано с необходимостью повышения точности и надежности приборов, используемых при контроле качества, развитием производства автоматического оборудования с электронными и другими системами контроля.

     Автоматизация контрольных операций может осуществляться по линии автоматизации технологического (активного) и послеоперационного               (пассивного) методов контроля, которые  отражают два принципиально различных направления развития технического контроля. Оба метода контроля имеют важное значение с точки зрения обеспечения требуемого качества выпускаемой продукции. Однако при пассивном контроле с помощью средств измерения фиксируются значения каких-либо параметров деталей и изделий с целью их разбраковки или сортировки.

     Во  многих отраслях машиностроения все шире внедряются быстродействующие контрольно-сортировочные автоматы, осуществляющие контроль качества деталей по различным параметрам, сортировку годных деталей по группам, отбраковку некачественных деталей.

    Современные контрольно-сортировочные автоматы снабжены разнообразными механическими и электрическими устройствами для загрузки и транспортирования деталей, измерения их параметров, переработки контрольной информации и т.д. Многие из них оснащены специальными логическими устройствами, повышающими точность и надежность операций контроля и сортировки.

    Автоматизация производственных процессов и контроля технологических параметров также  требует создания широкого класса совершенных первичных преобразователей – датчиков. Большое число специалистов сталкивается в своей работе с выбором датчиков для автоматических систем.

    Настоящая работа посвящена проектированию автомата для контроля длины и глубины полуфабрикатов с использованием на измерительной позиции емкостного датчика. Исходя из этого в первом разделе работы, названном «Системы автоматического контроля», рассматриваются классификация САК, конструктивная схема и основные органы САК. Во втором разделе работы «Устройства (датчики-классификаторы) для автоматического контроля линейных размеров» рассмотрены основные виды датчиков, сгруппированные по общности физического принципа действия. И, наконец, в третьем разделе дается более детальный обзор по выбранному для данной работы типу датчика – емкостному датчику.

1. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО  КОНТРОЛЯ

1.1. Структура контрольной автоматической системы 

   При рассмотрении конструкции контрольной  автоматической системы (рис. 1) различают следующие их основные органы: загрузочный I, транспортирующий II, измерительной позиции III, исполнительный IV и запоминающе-усилительный V.  

     

 

Рис. 1. Конструктивная схема контрольной

     автоматической  системы (автомата) 

     Загрузочный орган служит для отделения деталей друг от друга и установки (ориентации)  их в определенное положение, удобное для транспортировки, обработки или контроля.

     Транспортирующий  орган предназначен для перемещения изделия внутри автоматической системы или линии и в известной мере предопределяет логичность ее кинематической схемы и компоновку различных органов и узлов.

     Орган измерительной позиции определяет принадлежность изделия к той или иной группе годности или брака или выдает сигнал о достижении контролируемым параметром заданного значения.

     Основная  задача исполнительного органа контрольного автомата — это направить изделие  в соответствующий отсек годности или брака, а у систем активного контроля — изменить (прекратить) процесс обработки пли поднастроить оборудование.

     Запоминающе-усилительный орган предназначен для получения и усиления сигнала, несущего информацию о результатах контроля, ее запоминания и выдачи в нужный момент исполнительному органу. 
 

     1.2. Классификация систем  автоматического  контроля

     Для обеспечения требуемого качества деталей и изделий (точность размеров, геометрическая форма, параметр шероховатости поверхности и т.д.) применяют комплексный  контроль, включающий в себя контроль: готовых изделий, заготовок, вспомогательных средств производства (режущего инструмента, измерительных средств и т.д.), основных средств производства (технологического оборудования, систем и средств управления и т.д.). В зависимости от вида, стоимости и требований, предъявляемых к точности изготовления деталей, контроль может быть полным, когда проверяются все изделия, и выборочным, когда проверяется часть деталей (применяется для дешевых изделий с большими допусками размеров и формы).

     По  принципу действия различают: системы  пассивного контроля, представляющие собой системы автоматического  контроля (САК), задача которых получить необходимые сведения об управляемом объекте или параметрах технологического процесса (система не изменяет параметров технологического процесса во время обработки, т.е. ведет себя пассивно); системы активного контроля, которые представляют собой системы автоматического регулирования (САР), задача их не только измерять необходимые величины, но и поддерживать их заданное значение во время технологического процесса.

     В настоящее время системы активного  контроля организуют в большинстве случаев по принципу адаптивного контроля, т.е. управление технологическим процессом ведут совместно с ЧПУ и САК, задача, которой на основании сведений, полученных от автоматических устройств, менять программу управления, тем самым, восстанавливая отклонившиеся величины (принцип адаптации).

     По  назначению различают следующие  системы автоматического контроля: технологических параметров в процессе обработки; параметров готовых изделий (контроль качества продукции); состояния  оборудования и систем управления; состояния инструмента, оснастки и т.д.; программного и информационного обеспечения (сбор сведений, обработка сведений, систематизация и т.д.).

     В зависимости от назначения операции контроля подразделяются на разбраковочные, выделяющие из продукции бракованные изделия и в некоторых случаях сортирующие эти изделия по видам брака, сортировочные, подразделяющие объекты по группам по контролируемым параметрам, например для селективной сборки, и комплектующие, т.е. подбирающие для сборочных единиц соответствующие им по значениям контролируемых параметров комплектующие изделия.

     Возможны  и другие виды классификаций рассматриваемых  систем: по числу измерительных позиций, по расположению этих позиций (карусельные  и продольные), по состоянию объекта  в процессе контроля, по характеру действия (прерывистого и непрерывного действия) и т.д.

     Среди различных видов контроля особо  надо выделить системы, позволяющие  контролировать объекты без установки  их на измерительные позиции с  заданными координатами, а позволяющие  контроль в процессе движения объектов, причем в более совершенных видах таких систем объект контроля при движении сохраняет одну, две или даже большее число степеней свободы. К таким системам, например, относятся некоторые телевизионные системы, системы опознания образа и др.

     В зависимости от назначения системы, ее принципа действия и других факторов структурная схема системы может  изменяться, однако наиболее типичной структурной схемой является схема, приведенная на рис.2.

        
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рис. 2. Типичная структурная схема САК (пассивной) 

     Изделия партиями или поштучно загружаются  в загрузочное устройство УЗ, откуда автоматически транспортируются специальным  органом Т0 в заданном темпе и  числе к устанавливающему органу УО, подающему объекты в заданной ориентации к измерительному органу ИО. С помощью преобразователя Пр и, в случае необходимости, электронных вычислительных устройств ВУ определяется характер брака. В соответствии с результатами контроля исполнительное устройство ИУ отбраковывает или сортирует объекты контроля. При статистическом контроле или в тех случаях, когда обработка результатов измерений занимает большее время, чем переход изделия с измерительной позиции к исполнительному органу, в систему вводится запоминающее устройство ЗУ. Кроме того, запоминающий орган может быть связан с исполнительным органом с целью учета числа объектов, попавших в результате контроля в ту или другую группу проконтролированных объектов.

     1.3. Классификация загрузочных устройств

Загрузочные устройства контрольно-сортировочных автоматов служат для создания запаса контролируемых деталей и их ориентации в пространстве и времени, с тем чтобы обеспечить нормальную и бесперебойную работу измерительного устройства в течение запланированного периода. Загрузочное устройство — важный элемент контрольно-сортировочного автомата, определяющий технические характеристики последнего, поскольку в процессе контроля до 90% времени приходится на транспортно-загрузочные операции. Структурная схема загрузочного устройства представлена на рис. 3.

Рис. 3. Структурная  схема загрузочного устройства автомата 

 
 
 

    Контролируемые  детали в достаточном для бесперебойной  работы автомата количестве помещают в бункер (обычно в беспорядке, «навалом»), который производит их первичную ориентацию и выдает в определенной последовательности. В зависимости от конфигурации контролируемых деталей может потребоваться их дополнительная пространственная ориентация, что осуществляется ориентирующим устройством, которое может быть и частью бункера. Ориентированные в пространстве детали по лотку попадают в магазин-накопитель, откуда через определенные промежутки времени выдаются механизмом поштучной выдачи на транспортирующее устройство автомата или непосредственно на его измерительную позицию (в зависимости от конструкции автомата). Таким образом, механизм поштучной выдачи деталей является устройством, ориентирующим детали во времени. Необходимые перемещения подвижных элементов загрузочного устройства осуществляются приводом. Приводы загрузочных устройств также могут быть различного типа: кулачковые, дисбалансные, электромагнитные и др.

    Следует отметить, что названные элементы загрузочного устройства не всегда можно выделить в «чистом» виде при рассмотрении конкретного автомата. Некоторые элементы могут отсутствовать, либо один конструктивный элемент может выполнять несколько функций. Так, часто лоток выполняет одновременно и функции магазина. Необходимость магазина в составе загрузочного устройства объясняется тем, что производительность бункера из-за его конструктивных особенностей колеблется во времени и для компенсации этого колебания приходится накапливать некоторый запас ориентированных деталей в магазине. Наиболее характерными элементами загрузочного устройства являются бункер (или магазин) и питатель.

    Все загрузочные устройства прежде всего можно разбить на два основных вида: автоматические (рис. 4,а) и полуавтоматические (рис. 4,б). Автоматические загрузочные устройства обеспечивают автоматическую ориентацию деталей, как в пространстве, так и во времени.                                            

                                                    а)                        б)

    Рис. 4. Виды загрузочных устройств

    Полуавтоматические  загрузочные устройства ориентируют  детали только во времени. Ориентация деталей в пространстве осуществляется вручную.  

1.4. Классификация транспортирующих органов

    Транспортирующие  органы предназначены для перемещения  изделия внутри автоматизированной системы. Они в известной мере предопределяют кинематическую и конструктивную схемы и компоновку различных органов. От этих устройств зависит главная часть составляющих цикла работы автомата и надежность перемещения деталей. Различают следующие этапы транспортирования изделия: от загрузочного органа или зоны обработки (для контрольно-подналадочного автомата) к измерительной позиции; на измерительной позиции (установка, перемещение, съем); от измерительной позиции к исполнительному органу; от исполнительного органа до бункера; возврат транспортера в исходное положение.

    В зависимости от вида движения транспортирующие механизмы можно разделить на устройства с непрерывным и прерывистым движением, а в зависимости от характера движения — на устройства с реверсивным и нереверсивным движением. Механизмы с прерывистым движением наиболее разнообразны и позволяют применять как простые, так и сложные методы контроля. Механизмы с непрерывным перемещением изделия могут сочетаться с неподвижными или перемещающимися измерительными органами.

  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, ..., ПЭn. 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(xi) где хi — 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.