Устройство для бесконтактных измерений
Устройство для бесконтактных измерений относится к высокоточным измерительным приспособлениям, включающим оптические средства измерения, и может применяться для контроля геометрических параметров и качества поверхности машиностроительных изделий при входном, выходном и текущем контроле качества в процессе производства, технического обслуживания и ремонта изделий. Устройство состоит из триангуляционного лазерного двумерного сканера, однокоординатного перемещающего приспособления, сконструированного на основе передачи винт-гайка и приводимого в движение от электродвигателя через зубчатую передачу, а так же системы управления и обработки информации. Технический результат: повышение абсолютной и относительной точности измерений, проводимых при контроле качества машиностроительных изделий, по сравнению с традиционными методами измерения; исключение возможности влияния контролера на точность измерений; увеличение производительности труда; уровня готовности изделий к эксплуатации за счет повышения вероятности обнаружения брака; расширение номенклатуры контролируемых изделий и их параметров за счет введения дополнительных регулировок положения сканера, что позволяет производить контроль поверхностей, доступ к которым затруднен или деталей, габаритные размеры которых выходят за рабочий диапазон сканера.
Устройство для бесконтактных измерений (УБИ) (фиг.1) предназначено для контроля геометрических параметров и качества поверхности различных машиностроительных изделий при входном и выходном контроле качества при их производстве и техническом обслуживании.
Фиг.1. Схема устройства для бесконтактных измерений
Наиболее близкими по своей технической сущности к заявляемому являются бесконтактный трехкоординатный измеритель по патенту РФ 2191348 [1] и предназначенный для измерения координат поверхности объемных объектов. Он состоит из лазерного зондирующего устройства, приемника в виде ПЗС-матрицы и преобразовательно-вычислительного блока. Основным недостатком этого устройства является низкая универсальность, и точность измерений. Это обусловлено конструктивными особенностями устройства. Добавление измерений по координате Х достигается за счет применения поворотной линзы, в результате чего диапазон продольных измерений ограничен. При отклонении зондирующего луча в ту или иную сторону расстояние до приемника увеличивается, что снижает точность измерений, повышает сложность расчетов расстояния от сканера до измеряемого объекта.
Для решения данных проблем поворотная призма заменена механическим однокоординатным перемещающим устройством. Расширен диапазон измерения за счет регулировок высоты установки сканера и угла его наклона, что позволяет повысить точность измерения путем выбора наиболее оптимального положения сканера относительно контролируемого объекта. Применение промышленных сканеров с использованием предлагаемого устройства позволит повысить точность и диапазон измерений, что приведет к улучшению качества контроля изделий.
УБИ сконструировано на основе триангуляционного лазерного сканера 1 и однокоординатного высокоточного перемещающего устройства 2, за счет применения которого в зависимости от типа сканера (одно или двумерный) устройство можно считать двумерным или трехмерным измерительным прибором.
УБИ состоит из сканера 1, закрепленного на специальном кронштейне 3, позволяющем производить регулировку угла наклона оси лазерного луча в вертикальной продольной относительно винта перемещающей системы плоскости. Кронштейн размещен на винтовой стойке 4, позволяющей регулировать высоту установки сканера. Регулировку следует проводить для каждого типа объектов измерения, исходя из габаритных размеров, свойств поверхности и характера измеряемых параметров в соответствии с программой, заложенной в системе управления и обработки данных (СУОД) 5, которая, подавая сигналы на соответствующие электродвигатели 15 и 16, устанавливает необходимую высоту и угол наклона сканера, определяя его положение по маркерам приспособления для калибровки.
Стойки опоры сканера жестко соединены со станиной устройства, которая представляет собой высокоточную направляющую 6, размещенную на опорах 7.
К торцам станины присоединяются стенки с подшипниковыми узлами 8. При этом используются шариковые радиальные подшипники, обеспечивающие свободное вращение главного винта. Сборка стенок, станины и механизма перемещения стола требует четкого соблюдения инструкций по сборке и контроля точности по окончанию монтажа.
Главный винт 9 по принципу передачи «винт-гайка» приводит в движение стол 10 с размещенным на нем объектом измерения 11. Уменьшение прогиба винта, а также поперечная и вертикальная устойчивость стола обеспечивается специальными пластинами, прилегающими к высокоточным поверхностям станины.
Винт приводится во вращение от электродвигателя переменного тока 12 через цилиндрическую прямозубую зубчатую передачу 13. Двигатель установлен на раме 14, соединенной со станиной. Управление включением и выключением электродвигателя, а также направлением вращения выходного вала осуществляется СУОД.
Подбор наиболее рациональной скорости движения стола и частоты сканирования профилей поверхности объекта измерения осуществляется исходя из специфики дефектов и геометрических параметров контролируемого изделия. В общем случае шаг измерения по координате Х (фиг.2) определяется по следующей формуле:
мм,\tab(1)
где n - частота сканирования профилей, Гц (проф./с.); v - скорость движения стола [2]:
, м/с,\tab\tab(2)
где z - число заходов резьбы; Р - шаг резьбы, мм; nЭ - асинхронная частота вращения вала электродвигателя, мин-1; u - передаточное число зубчатой передачи.
В состав устройства входит приспособление для калибровки, позволяющее точно определять положение стола, угол наклона и высоту установки сканера.
Принцип действия УБИ основан на определении сканером координат точек световой линии или одиночной точки (соответственно для двумерного и одномерного сканера), проецируемой на поверхность объекта измерений, передача данных системе управления и обработки информации, которая автоматически анализирует результаты измерения, делает вывод о годности изделия в соответствии с программно заложенными в нее данными о возможных дефектах, типе и параметрах изделия.
Точность измерений зависит от различных факторов по координатам Z и Y от удаленности объекта измерения от сканера, по оси Х - от скорости движения стола и частоты сканирования профилей (фиг 2), при вращении в плоскости 
- от свойств поверхности и характера измеряемого параметра.
Высокая точность измерения по всем координатам достигается за счет многократных проходов и максимальной плотности измерения, а также настройкой оптимального расположения сканера относительно объекта измерения.
Фиг 2. Схема расположения осей координат
Устройство имеет следующие преимущества:
1 Благодаря применению зубчатой передачи достигается равномерное без проскальзывания движение стола;
2. Многократные проходы позволяют добиться высокой точности измерения (порядка 1-100 мкм в зависимости от типа сканера и настроек устройства);
3 Автоматическая регулировка скорости сканирования оптимизирует время контроля при сохранении высокой точности измерений;
4. Регулировка положения сканера расширяет диапазон размеров и номенклатуру контролируемых изделий;
5. Благодаря применению специального программного комплекса, заложенного в СУОД, каждый тип изделий обрабатывается с индивидуальными настройками устройства;
6. Широкая номенклатура измеряемых изделий позволяет добиться максимальной загрузки рабочего времени устройства и обслуживающего персонала;
7. УБИ позволяет исключить вероятность влияния уровня квалификации исполнителя на точность измерений за счет автоматизации большей части операций;
8. УБИ значительно повышает эффективность контроля благодаря высокой точности и увеличению охвата измерениями параметров изделий.
Устройство имеет следующие ограничения:
1. Затруднено измерение труднодоступных внутренних поверхностей. Для контроля недоступных УБИ параметров, следует комбинировать его с другими измерительными устройствами.
2. Минимальный размер определяемых дефектов зависит от характеристик выбранного сканера;
3. Максимальный размер объекта измерения ограничен наибольшей высотой подъема рабочего диапазона сканера и ходом стола;
4. Масса изделия не может превышать расчетной грузоподъемности стола.
Источники информации:
1. Горелик С.Л.; Дукаревич Ю.Е.; Дукаревич М.Ю. Бесконтактный трехкоординатный измеритель. Патент РФ 
2191348. Б.И. 2002, 28.
2. Ерохин, М.Н. Детали машин и основы конструирования [Текст] / М.Н.Ерохин и др. - М.: КолосС, 2005. - 462 с.
Устройство для бесконтактных измерений геометрических параметров изделий, содержащее триангуляционный лазерный сканер, закрепленный на кронштейне, позволяющем производить регулировку угла наклона оси лазерного луча, который размещен на стойке, позволяющей регулировать высоту установки сканера, однокоординатное перемещающее приспособление, состоящее из стола, на котором размещается контролируемый объект, перемещаемого по высокоточным направляющим при помощи передачи «винт-гайка», приводимой в движение от асинхронного электродвигателя через зубчатую передачу, причем работа триангуляционного лазерного сканера и однокоординатного перемещающего приспособления осуществляется указанной системой управления и обработки данных на основе ЭВМ посредством Ethernet-интерфейса.
