ОСОБЕННОСТИ НАСТРОЙКИ ПРОЕКЦИОННЫХ ПРИБОРОВ ДЛЯ БЕСКОНТАКТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ГЕОМЕТРИИ

FEATURES SETTING PROJECTION DEVICES FOR CONTACTLESS MEASUREMENT GEOMETRY

Evgeny Zhukov

candidate of Technical Sciences, associate professor of the Department of technology of mechanical engineering of the Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov,

Russia, Belgorod

Darya Efremenko

student of the Department of technology of mechanical engineering of the Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov,

Russia, Belgorod

Alexey Krivosheev

student of the Department of technology of mechanical engineering of the Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov,

Russia, Belgorod

Работа выполнена в рамках гранта Проект ПСР.

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются области применение методов бесконтактной оценки геометрии объектов машиностроения. Приведены особенности настройки и калибровки проекционных приборов с помощью гидравлического уровня и акселерометра. Определен характер распределения полученных значений и сделан вывод о правильности предложенной модели.

ABSTRACT

The article addressing areas application of the methods of contactless evaluation of geometry objects  machine building. Given setup and calibration of projection devices with help hydraulic level and accelerometer. The nature of the distribution of the values obtained and concluded that the correctness of the proposed model.

Ключевые слова: отклонения, ПЗС-матрица, выверка расположения, геометрические параметры, оптический способ, бесконтактный способ, профиль изделия.

Keywords: deviation, CCD-matrix, alignment location, geometric parameters, an optical method, contactless method, the profile products.

Проведенные на кафедре технологии машиностроения БГТУ им. В. Г. Шухова теоретические и экспериментальные исследовании доказали, что возможно использование ПЗС (прибор с зарядовой связью) - матрицы в качестве устройства ввода информации о геометрии объекта при оценке его точностных параметров. Рассмотрено применение оптического проекционного способа для вычисления геометрии наплавленного припуска колеса ж/д транспорта [3], и устройство прямых проекционных измерений диаметра хвостовика стоматологического бора [4]. Наиболее полно применение оптических бесконтактных способов оценки геометрии объектов рассмотрены в работе, объединившей в единую теорию результаты исследования проекционных способов измерений в машиностроении [2].

Рассмотрены вопросы измерения отклонения профиля изделия в продольном сечении от горизонтальной оси [5]. Использование подобного способа требует выверки оси ПЗС-матрицы ортогонально вектору силы тяжести.

В качестве базы для выверки расположения матрицы использовался прибор, состоящий из двух сообщающихся сосудов, представленный на рис. 1.

Рисунок 1. Прибор уровня

Определение расположения ПЗС-матрицы производится путем установления нахождения всех засвеченных линией лазера пикселей монохромного изображения верхней границы обоих сосудов, при обработке его специальным программным обеспечением. Возможно некоторое расхождение в количестве засвеченных пикселей границы сосуда по одному столбцу, то есть максимальное количество пикселей не находящихся на одной линии со всей засвеченной строкой:  Δ_{доп.п.оси}= 2 пикселя. При этом на практике возможно три варианта расположения, изображенных на рис. 2 – а) камера наклонена вправо; б) камера наклонена влево; в) камера установлена по горизонту.

а)

б)

в)

Рисунок 2. Определение расположения ПЗС-матрицы

Окончательная настройка прибора выполняется по показаниям акселерометра [6].

Акселерометр закреплён на плате в определенном положении при помощи резьбового соединения.

Для того чтобы настроить акселерометр и приступить непосредственно к выверке расположения камеры – требуется определить ноль акселерометра, то есть найти такое его положение, при котором можно вести отсчет угла наклона камеры. С помощью показаний тестера, подключенного определенным образом к контактам акселерометра, и вращая его вокруг нормали к соответствующей оси, находим ноль акселерометра, то есть делаем вывод о том, что прибор установлен по горизонту. Таким образом, когда ось X расположена в необходимом направлении, то показания напряжения U_x на контакте этой оси определяется по формуле:

                                             (1)

где U_max – максимальное значение напряжения, регистрируемого на контакте соответствующей оси, В;

U_min – минимальное значение напряжения, регистрируемого на контакте оси, В.

Наблюдения показывают, что значения максимального и минимального напряжений соответственно U_max = 3,30 В, U_min = 1,36 В, Следовательно, значение напряжение в нулевом расположении оси U_x = 2,33 В (рис. 3).

Рисунок 3. Показания тестера в нулевом положении акселерометра

Именно когда напряжение составляет 2,33 В, считаем, что ось акселерометра установлена в необходимом положении по горизонту. Наглядное изображение расположения оси акселерометра в зависимости от напряжения на соответствующем контакте оси представим на рис. 4. Расположение оси в положении x₁ соответствует напряжению 1,36 В и означает поворот оси против часовой стрелки на 90º относительно точки О,  в положении x₂ соответствует напряжению 3,38 В и означает поворот оси по часовой стрелки на 90º относительно точки О. Положение оси x₀ показывает верное расположение камеры, установленной четко по горизонту.

Рисунок 4.  Возможные положения оси акселерометра

Процедуру выставления камеры при помощи акселерометра проводим вращая кронштейн с камерой до тех пор, пока тестер либо подключенный к акселерометру аналогово-цифровой преобразователь не зарегистрирует значения напряжения на соответствующем контакте равным U_x = 2,33 В.

Однако, для удобства работы с акселерометром требуется также найти цену деления 1 градуса в вольтах. Таким образом, если ось акселерометра отклоняется от нулевого положения на 90º, то значение напряжения меняется на разницу между напряжением на нулевой оси и напряжением в положении, когда ось отклонилась на 90º:

                                  (2)

где U_x0 и U_x1 – значения напряжения в нулевом положении и положении оси под 90º.

То есть, поворот оси на 1 градус регистрируется тестером, как напряжение равное 0,01В.

Выставив положение камеры, а, следовательно, и расположив измерительную ось по горизонту, производим засвечивание реальной оси дорожки катания. При этом расположение лазерного излучателя во всем измерительном комплексе заранее определено. Засвечивая ось, получаем на белом экране полосу красного цвета. ПЗС-матрица камеры при этом захватывает полученное изображение и согласно пунктам алгоритма для настройки оси прибора [5], переводится в монохромное для дальнейшего его анализа. При этом, если произойдет сбой в расположении оси, то в окне специально разработанного ПО во фрейме с показаниями акселерометра будет значение отличное от нуля. В таком случае, будет необходимо произвести перенастройку оси аналогично методике описанной выше.

На каждом этапе наблюдений осуществляем настройку оси прибора заново, начиная с этапа, когда уже найдено значение напряжения на контакте акселерометра, соответствующее его нулевому расположению.

Измерения (наблюдения) представляют собой проверку количества пикселей, на которое отклонилась ось. При этом на каждом этапе эксперимента регистрируются показания акселерометра. К ним дополняем значения в пересчете на градусы, а также отклонение положения ПЗС-матрицы, выражаемое в пикселях. Значения заносятся в таблицу и далее обрабатываются в заранее подготовленной для этого математической модели для расчета в любой программной среде, позволяющей произвести подобный расчет, например, в MathCAD. В этой математической модели для расчета реализована методика определения характера распределения, взятая из ГОСТ Р 8.736- 2011 «Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов измерений. Основные положения», то есть проводится проверка нормальности распределения полученных значений по двум критериям. Общее количество измерений составляет пятьдесят и, по мнению авторов, достаточно для установления характера распределения полученных значений. Также такое количество измерений обусловлено тем, что проверка по критериям в ГОСТ Р 8.736- 2011 приводится для максимально допустимого количества значений в выборке равного пятидесяти наблюдениям.

Получив вывод о характере распределения найденных значений, и установив, является ли оно нормальным, сделаем вывод о правильности либо неправильности предложенной модели. Приведенные в настоящей статье рассуждения можно представить в виде алгоритма настройки оборудования для бесконтактной оценки положения объекта, являющимся дополнением к ранее проведенным исследованиям [7, 1].

Список литературы:

1. Маслова И.В., Лозовая С.Ю., Чепчуров М.С. Дистанционная диагностика состояния опорных деталей сушильных барабанов// Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2013. Т. 19. № 3. С. 653-658.
2. Чепчуров М.С. Способы проекционной оценки геометрии объектов в машиностроении и их реализация/ М.С. Чепчуров, Е.М. Жуков, А.Н. Блудов: Монография – Белгород: изд-во БГТУ, 2015. –152 с.
3. Чепчуров М.С., Жуков Е.М., Блудов А.Н. Устройство оперативной бесконтактной диагности отклонения  профиля колеса железнодорожного// Механики XXI веку. 2014. № 13. С. 139-144.
4. Чепчуров М.С., Табекина Н.А., Вороненко В.П. Контроль геометрических параметров в технологической системе на базе автоматов продольного точения// Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2016. № 4. С. 89-95.
5. Четвериков Б.С., Чепчуров М.С. Автоматизация процесса оценки точности канавки катания при изготовлении лапы бурового долота// Информационные системы и технологии. 2015. № 4. С. 82-89.
6. Chetverikov B.S., Chepchurov M.S., Pogonin D.A. Definition of shape and position of complex geometric surfaces// World Applied Sciences Journal. 2014. Т. 31. № 4. С. 526-530.
7. Pershin N.S, Chepchurov M.S., Duganov V.YA. Definition of non-stationary rotating objects axis// World Applied Sciences Journal. 2014. т. 30. № 9. С. 1199-1204.