устройство для измерения диаметра изделий

Формула изобретения

Устройство для измерения диаметра изделий, содержащее датчик числа оборотов изделия, датчик пути, первый и второй формирователи импульсов, первый и второй ключи, первый счетчик импульсов, первый, второй и третий триггеры, отличающееся тем, что в него введены выключатель, четвертый, пятый, шестой и седьмой триггеры, генератор опорной частоты, третий и четвертый ключи, второй и третий счетчики импульсов, блок задержки, причем выходы датчиков числа оборотов изделия и пути соединены с входами соответственно первого и второго формирователей импульсов, выход первого формирователя импульсов подключен к счетному входу первого триггера, прямой выход которого соединен через выключатель с S-входом второго триггера, прямой выход которого подключен к S-входам третьего и четвертого триггеров, прямой выход пятого триггера соединен с S-входом шестого триггера, прямой выход первого и инверсный выход третьего триггеров подключены к входам первого ключа, выход которого соединен с S-входом седьмого триггера, R-вход которого подключен к инверсному выходу первого триггера, инверсный выход седьмого триггера соединен с R-входом третьего триггера и первым входом второго ключа, второй вход которого подключен к выходу второго формирователя импульсов, а выход соединен с входами первого счетчика импульсов, блока задержки, R-входом четвертого и S-входом пятого триггеров, инверсные выходы четвертого и шестого триггеров подключены к первым входам соответственно третьего и четвертого ключей, вторые входы которых соединены с выходом генератора опорной частоты, выходы - с входами соответственно второго и третьего счетчиков импульсов, а выход блока задержки подключен к R-входу шестого триггера.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения диаметров изделий.

Известно устройство для измерения диаметра изделий, содержащее измерительный диск, обкатываемый без скольжения по образующей изделия, вращаемого с постоянной скоростью, два тахогенератора с переменным нагрузочным сопротивлением каждый, гальванометр и переключаемый стабилизированный источник напряжения, один из тахогенераторов кинематически связан с осью измерительного диска, другой - с осью вращения изделия, тахогенераторы соединены между собой в одной точке разноименными полюсами, нагрузочные сопротивления включены последовательно со своими тахогенераторами и соединены между собой, гальванометр включен между точкой соединения тахогенераторов и точкой соединения нагрузочных сопротивлений, указанный источник напряжения соединен параллельно гальванометру так, что полярность напряжения этого источника обратна полярности суммарного напряжения, создаваемого на гальванометре двумя тахогенераторами. При вращении изделия с постоянной скоростью приводится во вращение один из тахогенераторов. При обкатке измерительного диска без скольжения по образующей изделия, вращаемого с постоянной скоростью, приводится во вращение второй тахогенератор. От напряжений, создаваемых обоими тахогенераторами, между точкой соединения тахогенераторов и точкой соединения нагрузочных сопротивлений возникает разность потенциалов, значение и полярность которой определяется измеряемым диаметром изделия, угловой скоростью последнего и диаметром измерительного диска [1].

Недостатком этого устройства является недостаточная точность измерения диаметра изделий, присущая аналоговым средствам измерения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство для измерения диаметра изделий, содержащее датчик числа оборотов изделия, датчик пути, первый и второй формирователи импульсов, первый и второй ключи, первый счетчик импульсов, первый, второй и третий триггеры [2]. Принцип действия устройства заключается в определении угла поворота измерительного ролика, вращающегося вместе с измеряемой деталью с постоянной скоростью без проскальзывания, путем подсчета с помощью электронного счетчика числа импульсов дискретного датчика угла поворота измерительного ролика за один или несколько оборотов детали.

Недостатком известного устройства является недостаточная точность измерения диаметра изделий вследствие невозможности определения угла поворота измерительного ролика в начале полного оборота изделия, обусловленного несовпадением импульсов датчика числа оборотов изделия (командного импульса) и датчика пути (измерительного импульса).

Целью предполагаемого изобретения является повышение точности измерения диаметра изделий за счет возможности определения угла поворота измерительного ролика в начале полного оборота изделия, обусловленного несовпадением командного и измерительного импульсов.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство для измерения диаметра изделий, содержащее датчик числа оборотов изделия, датчик пути, первый и второй формирователи импульсов, первый и второй ключи, первый счетчик импульсов, первый, второй и третий триггеры, дополнительно введены выключатель, пятый, шестой и седьмой триггеры, генератор опорной частоты, третий и четвертый ключи, второй и третий счетчики импульсов, блок задержки, причем выходы датчиков числа оборотов изделия и пути соединены с входами соответственно первого и второго формирователей импульсов, выход первого формирователя импульсов подключен к счетному входу первого триггера, прямой выход которого соединен через выключатель с S-входом второго триггера, прямой выход которого подключен к S-входам третьего и четвертого триггеров, прямой выход пятого триггера соединен с S-входом шестого триггера, прямой выход первого и инверсный выход третьего триггеров подключены к входам первого ключа, выход которого соединен с S-входом седьмого триггера, R-вход которого подключен к инверсному выходу первого триггера, инверсный выход седьмого триггера соединен с R-входом третьего триггера и первым входом второго ключа, второй вход которого подключен к выходу второго формирователя импульсов, а выход соединен с входами первого счетчика импульсов, блока задержки, R-входом четвертого и S-входом пятого триггеров, инверсные выходы четвертого и шестого триггеров подключены к первым входам соответственно третьего и четвертого ключей, вторые входы которых соединены с выходом генератора опорной частоты, выходы - с входами соответственно второго и третьего счетчиков импульсов, а выход блока задержки подключен к R-входу шестого триггера.

Сопоставительный анализ заявляемого устройства с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается от известного тем, что в него дополнительно введены выключатель, четвертый, пятый, шестой и седьмой триггеры, генератор опорной частоты, третий и четвертый ключи, второй и третий счетчики импульсов, блок задержки, причем выходы датчиков числа оборотов изделия и пути соединены с входами соответственно первого и второго формирователей импульсов, выход первого формирователя импульсов подключен к счетному входу первого триггера, прямой выход которого соединен через выключатель с S-входом второго триггера, прямой выход которого подключен к S-входам третьего и четвертого триггеров, прямой выход пятого триггера соединен с S-входом шестого триггера, прямой выход первого и инверсный выход третьего триггеров подключены к входам первого ключа, выход которого соединен с S-входом седьмого триггера, R-вход которого подключен к инверсному выходу первого триггера, инверсный выход седьмого триггера соединен с R-входом третьего триггера и первым входом второго ключа, второй вход которого подключен к выходу второго формирователя импульсов, а выход соединен с входами первого счетчика импульсов, блока задержки, R-входом четвертого и S-входом пятого триггеров, инверсные выходы четвертого и шестого триггеров подключены к первым входам соответственно третьего и четвертого ключей, вторые входы которых соединены с выходом генератора опорной частоты, выходы - с входами соответственно второго и третьего счетчиков импульсов, а выход блока задержки подключен к R-входу шестого триггера. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "новизна".

Введение в предлагаемое устройство выключателя, четвертого, пятого, шестого и седьмого триггеров, генератора опорной частоты, третьего и четвертого ключей, второго и третьего счетчиков импульсов, блока задержки, соединенных соответствующим образом между собой и с остальными элементами устройства, позволяет измерять не только число целых угловых интервалов между смежными импульсами датчика пути за один оборот изделия, но и их долю в начале полного оборота изделия, обусловленную несовпадением командного и измерительного импульсов, и за счет этого повысить точность определения диаметра изделий.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на фиг. 1 которого представлена блок-схема устройства, на фиг. 2 - временная диаграмма измерительных и командных импульсов (1 - командный импульс; 2 - измерительный импульс, _к1- момент подачи командного импульса начала оборота изделия; _к2- момент подачи командного импульса конца оборота изделия; ₁- промежуток времени между командным импульсом начала оборота изделия и первым после него измерительным импульсом; ₂- промежуток времени между первым и вторым измерительными импульсами после подачи командного импульса начала оборота изделия; _к- промежуток времени между двумя смежными командными импульсами, соответствующий одному обороту изделия); на фиг. 3 - схема установки датчика пути.

Устройство для измерения диаметра изделий содержит датчик 1 (фиг. 1) числа оборотов изделия, датчик 2 пути, первый 3 и второй 4 формирователи импульсов, выключатель 5, первый 6, второй 7, третий 8, четвертый 9, пятый 10, шестой 11 и седьмой 12 триггеры, генератор 13 опорной частоты, первый 14, второй 15, третий 16 и четвертый 17 ключи, первый 18, второй 19 и третий 20 счетчики импульсов и блок 21 задержки.

Выходы датчиков числа оборотов изделия 1 и пути 2 соединены с входами соответственно первого 3 и второго 4 формирователей импульсов. Выход первого формирователя 3 импульсов подключен к счетному входу первого триггера 6, прямой выход которого соединен через выключатель 5 с S-входом второго триггера 7, прямой выход которого подключен к S-входам третьего 8 и четвертого 9 триггеров. Прямой выход пятого триггера 10 соединен с S-входом шестого триггера 11. Прямой выход первого 6 и инверсный выход третьего 8 триггеров подключены к входам первого ключа 14, выход которого соединен с S-входом седьмого триггера 12, R-вход которого подключен к инверсному выходу первого триггера 6. Инверсный выход седьмого триггера 12 соединен с R-входом третьего триггера 8 и первым входом второго 15 ключа, второй вход которого подключен к выходу второго 4 формирователя импульсов, а выход соединен с входами первого 18 счетчика импульсов, блока 21 задержки, R-входом четвертого 9 и S-входом пятого 10 триггеров. Инверсные выходы четвертого 9 и шестого 11 триггеров подключены к первым входам соответственно третьего 16 и четвертого 17 ключей, вторые входы которых соединены с выходом генератора 13 опорной частоты, а выходы - с входами соответственно второго 19 и третьего 20 счетчиков импульсов. Выход блока 21 задержки подключен к R-входу шестого 11 триггера.

Датчик 1 числа оборотов изделия предназначен для получения на выходе импульсов, соответствующих повороту изделия на один оборот в процессе его вращения. Датчик фотоэлектрического типа и выполнен в виде непрозрачного диска с расположенной на нем радиальной прорезью, по одну сторону которого находится источник света, а по другую - чувствительный элемент, в качестве которого используется фотодиод типа ФД-2. Датчик имеет специальное приспособление для установки его на изделии и за один оборот выдает один импульс.

Датчик 2 пути служит для выдачи на выходе импульсных сигналов, соответствующих отрезкам длины окружности изделия в процессе обкатывания его измерительным роликом при их совместном вращении. Он содержит измерительный ролик 1 (фиг. 3), вал 2, вилку 3, цилиндрическую пружину 4 для прижатия измерительного ролика к изделию 5, зажим 6, стойку 7 и опорную плиту 8. Измерительный ролик 1 выполнен в виде цилиндра, диаметр и длина которого равна 100 мм. Вал 2 измерительного ролика 1 установлен в вилке 3, нагруженной цилиндрической пружиной 4 для прижатия измерительного ролика 1 к изделию 5 и соединенной с помощью зажима 6 с вертикальной стойкой 7, смонтированной на переносной опорной плите 8. На одном из торцев измерительного ролика 1 установлен диск со 100 равномерно расположенными на нем радиальными прорезями, по одну сторону которого находится источник света, а по другую - чувствительный элемент, в качестве которого используется фотодиод типа ФД-2. За один оборот измерительного ролика 1 датчик 2 (фиг. 1) пути выдает 100 импульсов.

Первый 3 и второй 4 формирователи импульсов предназначены для усиления, ограничения по амплитуде и формирования по длительности импульсов, поступающих на их входы с выходов соответственно датчика 1 числа оборотов изделия и датчика 2 пути. Они выполнены по аналогичным схемам, каждая из которых состоит из двух электронных усилителей с установленным между ними эмиттерным повторителем, а на выходе второго электронного усилителя подключены последовательно соединенные триггер Шмитта и эмиттерный повторитель.

Выключатель 5 служит для подачи импульсов с прямого выхода первого триггера 6 на S-вход второго триггера 7 в момент запуска устройства. Он выполнен в виде кнопочного нажимного выключателя с замыкающим контактом.

Первый триггер 6 предназначен для деления на два частоты импульсов, поступающих на его вход с выхода первого формирователя 3 импульсов, и выполнен со счетным входом (Т-триггер).

Второй 7, третий 8 и четвертый 9 триггеры служат для запуска устройства. Они все вместе позволяют пропускать только один импульс с прямого выхода первого триггера 6 на S-входы третьего 8 и четвертого 9 триггеров независимо от продолжительности нажатия кнопочного выключателя 5. Кроме того, третий 8 и четвертый 9 триггеры управляют работой соответственно первого 14 и третьего 16 ключей.

Пятый 10 и шестой 11 триггеры предназначены для включения и выключения третьего счетчика 28 импульсов. Оба триггера вместе позволяют пропускать только первый импульс с выхода второго 15 ключа на вход шестого триггера 11 независимо от их дальнейшего поступления на вход пятого триггера 10. Кроме того, шестой триггер 11 управляет работой четвертого ключа 17.

Седьмой триггер 12 служит для управления работой второго ключа 15.

Второй 7, третий 8, четвертый 9, пятый 10, шестой 11 и седьмой 12 триггеры выполнены с раздельными входами (RS-триггеры).

Первый 14, второй 15, третий 16 и четвертый 17 ключи предназначены для сообщения и разобщения соответственно первого триггера 6 с седьмым триггером 12, второго формирователя 4 импульсов с первым счетчиком 18 импульсов, блоком 21 задержки, четвертым 9 и пятым 10 триггерами, генератора 13 опорной частоты с вторым счетчиком 19 импульсов и генератора 17 опорной частоты с третьим счетчиком 20 импульсов. Они управляются соответственно третьим 8, седьмым 12, четвертым 9 и шестым 11 триггерами и выполнены в виде транзисторных схем совпадения на два входа каждая.

Генератор 13 опорной частоты служит источником электрических колебаний повышенной стабильности. Он выполнен в виде последовательно соединенных задающего узла, эмиттерного повторителя, импульсного усилителя и второго эмиттерного повторителя. Частота импульсов на выходе генератора 13 опорной частоты составляет 10⁵ Гц.

Первый счетчик 18 импульсов предназначен для подсчета числа измерительных импульсов за один оборот изделия (фиг. 2), соответствующий повороту измерительного ролика датчика 2 (фиг. 1) пути на смежные угловые интервалы, определяемые его дискретностью.

Второй 19 и третий 20 счетчики импульсов служат для измерения промежутков времени, соответствующих повороту измерительного ролика датчика 2 пути на определенные углы в начале полного оборота изделия, путем подсчета импульсов генератора 13 опорной частоты за определенные угловые интервалы. Второй счетчик 19 импульсов предназначен для измерения промежутка времени между командным импульсом начала оборота изделия и первым после него измерительным импульсом (₁, фиг. 2). Третий счетчик 20 (фиг. 1) импульсов служит для измерения промежутка времени между первым и вторым измерительными импульсами после подачи командного импульса начала оборота изделия (₂, фиг. 2). Все счетчики выполнены в виде электронных десятичных счетчиков, каждый разряд которых состоит из пересчетного устройства, дешифратора и цифрового индикатора. Первый счетчик 18 импульсов имеет четыре разряда, а второй 19 и третий 20 счетчики импульсов имеют по пять разрядов.

Блок 21 задержки предназначен для задержки импульсов, поступающих с выхода второго ключа 15 на R-вход шестого триггера 11. Он выполнен в виде первого и второго триггеров, счетный вход первого триггера является входом блока задержки, инверсный выход первого триггера подключен к S-входу второго триггера, прямой выход которого является выходом блока задержки.

Устройство работает следующим (на примере измерения диаметра шины колесного транспортного средства). Предварительно вывешивают транспортное средство, проверяют давление воздуха в шине и в случае необходимости доводят его до нормативного значения. Затем на колесо 5 (фиг. 3) транспортного средства закрепляют диск датчика 1 (фиг. 1) числа оборотов изделия, а опорную плиту 8 (фиг. 3) датчика 2 (фиг. 1) пути устанавливают таким образом, чтобы измерительный ролик 1 (фиг. 3) плотно прижимался к поверхности шины. Оба датчика подключают к устройству для измерения диаметра изделий. Включают устройство в сеть и подачей импульса "Сброс" устанавливают его узлы в исходное состояние, изображенное на фиг. 1. При этом показания первого 18, второго 19 и третьего 20 счетчиков импульсов сбрасываются на нули, первый 6, второй 7, третий 8, четвертый 9, пятый 10, шестой 11 и седьмой 12 триггеры устанавливаются в нулевые состояния, при которых первый 14, второй 15, третий 16 и четвертый 17 ключи закрываются. В нулевое положение устанавливаются также триггеры, входящие в состав блока 21 задержки. Затем колесо 5 (фиг. 3) приводят во вращение. Импульсы фототока с выходов датчика 1 (фиг. 1) числа оборотов изделия и датчика 2 пути поступают на входы соответственно первого 3 и второго 4 формирователей импульсов, где они усиливаются и преобразуются в прямоугольную форму. С выхода первого формирователя 3 импульсов сигналы поступают на счетный вход первого триггера 6 и периодически переводят его из одного состояния в другое, и наоборот. Импульсы с выходов первого триггера 6 не оказывают влияния на состояние седьмого триггера 12, так как не могут пройти через закрытый первый ключ 14 или оказываются обратной полярности. Импульсы с выхода второго формирователя 4 импульсов поступают на второй вход ключа 15, но не проходят через него, так как он находится в закрытом состоянии. Импульсы с выхода генератора 13 опорной частоты также не могут пройти на входы второго 19 и третьего 20 счетчиков импульсов вследствие закрытого состояния соответственно третьего 16 и четвертого 17 ключей.

При нажатии кнопочного выключателя 5 положительный перепад напряжения с прямого выхода первого триггера 6, соответствующий началу оборота изделия, поступает на S-вход второго триггера 7 и перебрасывает его в противоположное состояние. Выделяющийся на его прямом выходе сигнал поступает на S-вход третьего триггера 8 и также перебрасывает его в противоположное состояние. При этом первый ключ 14 открывается, на его выходе появляется сигнал, который поступает на S-вход седьмого триггера 12, перебрасывает его в противоположное состояние, в результате чего открывается второй ключ 15. Выделяющийся при этом на инверсном выходе седьмого триггера 12 сигнал не изменяет состояния третьего триггера 8, так как оказывается обратной полярности. Одновременно с этим сигнал с прямого выхода второго триггера 7 поступает на S-вход четвертого триггера 9 и перебрасывает его в противоположное состояние. Третий ключ 16 открывается и импульсы времени с выхода генератора 13 опорной частоты поступают на вход второго счетчика 19 импульсов, который начинает их суммировать.

Импульсы с выхода второго формирователя 4 импульсов, соответствующие повороту измерительного ролика датчика 2 пути на смежные угловые интервалы, проходят через открытый второй ключ 15 и поступают на вход первого счетчика 18 импульсов, который также начинает их суммировать. Причем при появлении на выходе второго ключа 15 первого импульса он одновременно поступает на вход блока 21 задержки, R-вход четвертого 9 и S-вход пятого 10 триггеров. В результате этого четвертый триггер 9 возвращается в исходное состояние, третий ключ 16 закрывается, прохождение через него импульсов с выхода генератора 13 опорной частоты прекращается, и второй счетчик 19 импульсов останавливается, фиксируя число импульсов f₁, соответствующее углу поворота ₁ измерительного ролика датчика 2 пути за время между командным импульсом начала оборота изделия и первым после него измерительным импульсом (за время ₁, фиг. 2). Пятый триггер 10 (фиг. 1) перебрасывается в противоположное состояние, на его прямом выходе выделяется сигнал, который поступает на S-вход шестого триггера 11 и также перебрасывает его в противоположное состояние. Четвертый ключ 17 открывается, и импульсы времени с выхода генератора 13 опорной частоты поступают на вход третьего счетчика 20 импульсов, который начинает их суммировать. Дальнейшее поступление импульсов с выхода второго ключа 15 на R-вход четвертого 9 и S-вход пятого 10 триггеров никакого влияния на работу устройства не оказывает.

При поступлении на вход блока 21 задержки второго импульса с выхода второго ключа 15 на его выходе выделяется сигнал, который поступает на R-вход шестого триггера 11. Последний возвращается в исходное состояние, четвертый ключ 17 закрывается, прекращая прохождение через него импульсов с выхода генератора 13 опорной частоты, и третий счетчик 20 импульсов останавливается, фиксируя число импульсов f₂, соответствующее углу поворота ₂ измерительного ролика датчика 2 пути за время между первым и вторым измерительными импульсами после подачи командного импульса начала оборота изделия (за время ₂, фиг. 2).

При появлении с выхода первого формирователя 3 (фиг. 1) импульсов второго сигнала, соответствующего завершению одного оборота изделия, он возвращает первый триггер 6 в исходное состояние. Выделяющийся на его инверсном выходе сигнал поступает на R-вход седьмого триггера 12 и также возвращает его в исходное состояние. Второй ключ 15 закрывается, прекращая прохождение через него импульсов с выхода второго формирователя 4 импульсов, и первый счетчик 18 импульсов останавливается, фиксируя число импульсов f₃, соответствующее числу полных периодов импульсов датчика 2 пути за один оборот изделия (за время _к, фиг. 2). Как видно из временной диаграммы, число f₃ на единицу больше числа полных периодов импульсов датчика 2 (фиг. 1) пути и с учетом этого соответствует суммарному углу поворота ₃ измерительного ролика за один оборот изделия.

Одновременно сигнал с инверсного выхода седьмого триггера 12 поступает на R-вход третьего триггера 8. При этом третий триггер 8 возвращается в исходное состояние, в результате чего первый ключ 14 закрывается, прекращая дальнейшее прохождение через него импульсов с прямого выхода первого триггера 6 на S-вход седьмого триггера 12.

На этом цикл работы устройства заканчивается.

По полученным результатам определяют диаметр изделия, а при необходимости повторения измерений снова подают сигнал "Сброс" и нажимают на кнопочный выключатель 5.

При вычислении диаметра изделия принимается, что угловая скорость изделия, а следовательно, и измерительного ролика в пределах двух смежных угловых интервалов датчика 2 пути остается постоянной как в начале, так и конце оборота изделия. Поскольку угол поворота измерительного ролика в пределах каждого углового интервала датчика 2 пути является известным (2/m, где m - разрешающая способность датчика 2 пути), то это позволяет по измеренным значениям ₁ и ₂ (фиг. 2) определять значение угла поворота ₁ измерительного ролика в начале полного оборота изделия.

Значения промежутков времени ₁ и ₂ определяются по формулам



где - частота импульсов генератора 13 (фиг. 1) опорной частоты, Гц.

3а промежуток времени ₂ измерительный ролик поворачивается на угол 2/m, а за промежуток времени ₁ (фиг. 2) - на угол ₁



Угол поворота ₃ измерительного ролика определяется числом полных периодов импульсов датчика 2 (фиг. 1) пути за один оборот изделия



Суммарный угол поворота измерительного ролика за один полный оборот изделия составляет



Путь, пройденный измерительным роликом за один полный оборот изделия, соответствует длине L окружности изделия и определяется по формуле



где d_р - диаметр измерительного ролика.

Тогда диаметр D изделия составляет



Использование предлагаемого устройства позволяет повысить качество изготовления изделий, а следовательно, их надежность и долговечность в процессе эксплуатации. Применительно к определению диаметра шин колесных транспортных средств устройство позволяет оперативно контролировать износ шин без снятия их с транспортных средств, своевременно проводить необходимые профилактические и ремонтные воздействия и за счет этого повысить безопасность дорожного движения и сократить затраты на поддержание транспортных средств в работоспособном состоянии.

Источники информации

1. А.с. СССР N 369373, кл. G 01 B 7/12, 1973.

2. Иванов Б.Н. Измерение линейных размеров методом обкатывания роликом. - М.: Машиностроение, 1973, с. 28-29 (прототип).