Реферат: Измерение линейных параметров длинномерных легкодеформируемых материалов

При работе преобразователя линейных перемещений с использованием гибкой транспортерной ленты (далее "мерной ленты") и перемещении её посредством приводного барабана возможны следующие варианты контактного взаимодействия между элементами измерительной системы «барабан -мерная лента - материал» (рис. 8):

а). Система «барабан - мерная лента - материал» движется синхронно, как единое целое. Между ее элементами нет проскальзывания, а силы сцепления мерной ленты с поверхностью приводного барабана превышают силы, порождающие отрицательную деформацию ее приграничного слоя вследствие изгиба контактного участка материала (рис. 8 а, б);

б). Подсистема элементов «мерная лента - материал» движется синхронно, как единое целое, а силы сцепления между поверхностью барабана и мерной лентой исключают возможность отрицательных деформаций её приграничных слоев, но допускают их относительное скольжение (рис. 8, в);

в). Элементы подсистемы «мерная лента - материал» движутся без относительного скольжения. Тангенциальные силы, определяющие изгибной момент и отрицательную деформацию слоев мерной ленты, расположенных ниже нейтральной линии на участке контакта, превышают силы сцепления, обеспечивающие передачу движения мерной ленте без скольжения. Также допускается, что подсистема элементов этого участка в начале и конце границ контактного взаимодействия не проскальзывает относительно барабана, а приграничные с ним слои участка ленты вследствие изгиба на цилиндрической поверхности испытывают отрицательную деформацию (рис. 8, г);

г). Элемент системы «материал» проскальзывает относительно мерной ленты на участке их контакта, определяемого углом обхвата, а участок ленты 'взаимодействует с приводным барабаном согласно пункту "б" или "в";

д). Все элементы системы «барабан - мерная лента - материал» на поверхности, определяемой углом обхвата, взаимодействуют с относительным скольжением.

Рис. 8 Схема взаимодействия элементов системы “барабан - мерная лента - материал” при транспортировании материала и измерении его длины:1- транспортерная (мерная) лента; 2- материал; 3- схваты; 4- приводной барабан; 5- система считывания угла поворота барабана.

Исходя из условий первого в порядке рассмотрения варианта контактного взаимодействия элементов системы, можно с определенными допущениями предположить, что подсистема «мерная лента - материал» при взаимодействии с приводным барабаном испытывает деформации изгиба и частичного растяжения, а в результате наложения этих деформаций приграничный с барабаном слой ленты имеет нулевое растяжение.

В этом случае линия прямолинейного участка подсистемы, движущаяся со скоростью Va , задается окружной скоростью приводного барабана и должна иметь нулевое значение деформаций.

При этом скорости Vb , Vc и Vd точек b, с, d (см. рис. 8,б), принадлежащие соответственно мерной ленте и материалу, равные на прямолинейном участке движения между собой и скорости Vа изменятся (увеличатся) при контакте с барабаном и будут зависеть от его радиуса и угла обхвата. В этом случае приращение скоростей точек b, с, d на участке обхвата компенсируется деформацией элементов подсистемы «мерная лента - материал».

Так как движителем материала является мерная лента, то окружная скорость (Vокp) е точек на границе контакта с барабаном при угловой скорости = const будет равна Vокp= Va= R.

Истинное перемещение и соответственно длина материала на этом участке определяется длиной дуги окружности барабана радиуса r =R, т.е. зависит от радиуса контактного взаимодействия, при котором отсутствует деформация слоев мерной ленты, граничащих с поверхностью барабана.

Исходя из условий рассматриваемой задачи, в приграничном слое взаимодействия подсистемы «мерная лента - материал» с барабаном перемещение (S) будет отражать фактическое значение длины материала т. е.

 (1)

где - угол поворота приводного барабана и жёстко связанного с ним оптического обтюратора.

Дифференцируя выражение (1) по параметру r и заменяя дифференциалы малыми конечными приращениями, получим значение частной погрешности ( ) от точности изготовления приводного барабана ( )т.е.

 (2)

Из выражения (2) видно, что абсолютная погрешность преобразования перемещения в длину накапливается с увеличением угла поворота, а относительная ошибка пропорциональна величине допуска ( ) и обратно пропорциональна номинальному радиусу приводного барабана (r).

Рассмотрим второй, теоретически и практически возможный вариант контактного взаимодействия элементов системы «барабан - мерная лента - материал».

При скольжении мерной ленты относительно приводного барабана возникает некоторая неопределенность погрешности преобразования перемещения в длину. Величина проскальзывания имеет случайный характер и поэтому оценить длину материала по углу поворота приводного барабана и точность измерения практически не представляется возможным. В этом случае необходимы дополнительные технические решения или исключающие скольжение элементов подсистемы, или обеспечивающие требуемую коррекцию погрешности результатов измерений, порождаемую этим явлением.

Дадим аналитическое исследование третьего, и наиболее вероятного, варианта контактного взаимодействия элементов подсистемы «мерная лента - материал» с приводным барабаном (см. рис. 8,г). В этом случае значение радиуса R, определяющего линию нулевой деформации и истинное перемещение длины материала, с учетом конкретных условий можно определить, если воспользоваться соотношением упругих деформаций растяжения и сжатия подсистемы «лента - материал» относительно нейтральной оси.

Согласно [8], учитывая принятые условия контактного взаимодействия и делая допущение того, что подсистема «лента - материал» испытывает на поверхности барабана изгиб, как балка прямоугольного сечения, получим:

 , (3)

где - толщина мерной ленты без учёта монтажных (начальных) деформаций; - толщина материала.

Выражение (3) запишется в виде:

 (4)

где

 (5)

Тогда с учетом (1) :

 (6)

Если выражение (6) для фиксированных моментов времени, т.е. при продифференцировать в частных производных по каждому параметру и согласно линейной теории точности [9,10] заменить дифференциалы их малыми приращениями, чем, по сути, они являются, получим:

 (7)

 

 (8)

 

Аналогично (8)

 (9)

Максимальные абсолютная и относительная погрешности от рассмотренной группы первичных погрешностей соответственно равны:

 (10)

 (11)

Выражения (10, 11) позволяют количественно оценить влияние отклонений на погрешность измерения и в зависимости от требуемой точности выбрать конструктивные параметры и назначить допуски на их проектирование.

Частные погрешности измерений, обусловленные отклонениями линейных параметров звеньев измерительной системы от номинальных, подчиняются определённым законам и их можно учесть введением соответствующих поправок в результаты измерения.

Теоретический анализ четвертого и пятого вариантов контактного взаимодействия элементов системы не представляет практического интереса вследствие их взаимного скольжения и появления предпосылок значительных и неопределенных погрешностей измерения перемещения мерной ленты и материала по углу поворота барабана. В этом случае задача должна и может быть решена посредством поиска принципиально новых технических решений, которые обеспечивали бы в процессе движения материала его постоянное сцепление с движущейся транспортёрной лентой.

Следующим конструктивно-технологическим фактором, влияющим на точность измерения длины, является несовпадение в процессе измерения линии начала и конца отсчёта с метками оптического обтюратора. Это возможно вследствие случайностей взаимного положения поперечных срезов в начале и конце полотна с метками диска или не кратности длины рулона их количеству. Величина этой погрешности хотя и является случайной, но не повторяется при непрерывном измерении, и её максимальное значение не превышает длины дуги, определяемой двумя делениями оптического диска, т.е. ,где - цена деления диска.

Так как перемещение (длина материала) оценивается по измеренной длине дуги линии нулевой деформации подсистемы "мерная лента - материал", то

 (12)

где К - коэффициент передачи измерительной системы; N - число меток оптического обтюратора.

Тогда для действительной длины материала в рулоне ( ):

 (13)

Таким образом, при проектировании измерительной системы для повышения её точности согласно выражениям (9, 13) необходимо уменьшать разнотолщинность мерной ленты и материала, цену деления обтюратора и увеличивать диаметр приводного барабана.

Отдельным вопросом стоит определение погрешности измерения длины материала при его перекосе относительно условно заданной линии движения. Так как эту группу погрешностей можно уменьшить только посредством качества центрирования полотна или равнения по его кромке (полностью исключить влияние этого фактора на точность измерения не представляется возможным), то необходимо вводить и эту частную составляющую в общую оценку погрешности расчётным путём.

Проанализируем зависимость погрешности измерения длины материала от качества его ориентации, т.е. от наличия некоторого периодически повторяющегося отклонения полотна относительно условно заданной линии движения (рис. 9).

 

Рис. 9 Расчетная схема определения погрешности измерения длины материала от перекоса линии движения

Согласно расчётной схеме абсолютная погрешность измерения от несовпадения кромки с заданной линией движения будет равна:

где п - количество возможных отклонений линии движения материала от условно заданной; - абсолютная ошибка измерения длины материала на i-ом участке движения.

 

где -соответственно фактически измеренное и действительное значения длины i-ro участка рулона.

Но  (14)

где - угол перекоса заданной линии движения полотна на i-ом участке рулона.

Тогда:

 (15)

 (16)

Согласно (14) и (16)

 (17)

 (18)

где - величина отклонения кромки материала от условно заданной линии движения на i-ом отрезке рулона.

Из выражения (18) видно, что погрешность измерения длины материала при перекосе линии его движения зависит от величины отклонения и угла наклона оси ( ) валика системы ориентации, определяющего количество этих отклонений (n). Значение в общем случае будет являться нестационарной величиной, зависящей от конструктивных характеристик системы транспортирования, технологических параметров и режимов взаимодействия контактирующих сред.

Экспериментальные исследования показали, что отклонение положения материала в пространстве движения без равнения его по кромке или центрирования перед измерением может нарастать с переходом процесса поперечного перемещения в неустойчивый режим, практически ограничиваемый только размерами «створа» системы транспортирования полотна. Поэтому перед измерением длины движущегося материала необходимо обеспечивать технологически заданное его отклонение от контрольной линии, что и достигается системой ориентации.

Таким образом, исследования точности измерения длины движущегося материала с использованием динамической коррекции и без нее позволяют сделать общий вывод в пользу этого варианта построения измерительной схемы. Наличие системы корректирования позволяет исключать как систематические, так и значительно уменьшать составляющие случайных погрешностей, возникающие от возможного неконтролируемого скольжения подсистемы "мерная лента - материал" относительно барабана (мерного диска), от влияния температурно-влажностного фактора, наличия люфтов в механической части системы и т.д.

Для достижения требуемой точности измерения корректировку можно выполнить и программными средствами, внося поправки в количество импульсов, приходящихся на эталонную длину, "покачивая" коэффициент корректирования, а также вводя более жесткие допуски на размеры элементов конструкции преобразователя линейных перемещений, уменьшая пену деления обтюраторного диска и, соответственно, коэффициент передачи К.

Теоретический анализ частных погрешностей, рассмотренная методика расчёта точности преобразования линейных перемещений и результаты исследований характеристик измерительных систем позволяют определить комплекс мер по улучшению метрологических характеристик технологического оборудования, выбрать направление его совершенствования и дать конкретные рекомендации по расчёту, проектированию и эксплуатации.

3 РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЛЕГКОДЕФОРМИРУЕМЫХ ДЛИННОМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к способу измерения длины движущихся лег-кодеформируемых материалов с выраженной сетчатой структурой (например, текстильных материалов полотняного переплетения).

Известен способ и устройство для измерения длины движущихся материалов (патент РФ 2174212, МПК G01 В5/00, 2001г.), заключающийся в том, что линейный параметр длинномерного материала - длина определяется расчётным путём по величине и количеству предельных поперечных перемещений (автоколебаний) материала относительно заданной линии движения, что является информативным параметром длины.

Для реализации этого способа используется устройство, содержащее три привода, один из которых приводит в движение транспортёр перемещения материала в осевом направлении, второй привод обеспечивает вращение валика системы ориентации материала, третий пневматический привод служит для наклона валика ориентации в вертикальной плоскости. В состав устройства также входит двухпозиционная система управления валиком системы ориентации, система формирования и считывания импульсов, соответствующих числу колебаний валика и процессор.

Недостаток этого способа и его техническая реализация состоят в использовании косвенного метода измерения длины материала, что, как правило, требует введения в технические решения дополнительных структурных элементов, преобразователей информации, тем самым повышающих сложность конструкции, снижающих надёжность измерительной системы и точность измерения.

Известен измеритель длины (патент РФ №2231018, 2004г.-прототип), построенный на базе использования стробоскопического эффекта, как способа, позволяющего повысить точность измерения посредством учёта перекоса линии движения материала и деформации его линейных параметров структурных элементов (раппортов) материала. Для измерения длины используется система оптронных элементов для считывания углов поворота оптронного диска и их преобразования в линейные перемещения.

Недостатком этой системы измерения является тот же косвенный метод измерения базовой длины со всеми вытекающими отсюда последствиями: генерируемая погрешность звеньями устройства и введение дополнительных преобразующих элементов, усложняющих систему измерения в целом.

Задачей изобретения является повышение точности и упрощение технического решения системы измерения длины движущихся легкодеформи-руемых материалов сетчатой структуры.

Поставленная задача решается тем, что линейный размер раппорта переплетения, соответствующего условиям недеформированного материала предварительно записывают в виде линейного эталонного размера раппорта переплетения в память процессора, как информативный параметр мерного участка длины движущегося легкодеформируемого материала со скоростью не менее 0.1 м/с и постоянным контактным взаимодействием с чувствительным элементом пьезопреобразователя в диапазоне усилия от 0.1 до 0.25Н, измеряют количество раппортов переплетения посредством пьезосканирования рельефа движущейся структуры, при этом значение длины материала определяют по числу генерируемых импульсов, соответствующих количеству структурных элементов (например, количеству уточных нитей), приходящихся на эталонный участок длины /э, и рассчитывают посредством процессора по следующему алгоритму:

 где -количество импульсов, генерируемых пьезоэлементом при перемещении материала длиной L, - эталонный участок длины. кэ - количество раппортов (поперечных элементов) в эталонной длине.

На рисунке показана структурная схема системы измерения длины движущегося материала по заявляемому способу.

Способ измерения длины материала L на базе использования пьезометрического преобразователя состоит в следующем:

-        предварительно одним из известных методов (например, в соответствии с ГОСТ № 3812-72) определяют значение линейного параметра раппорта переплетения по количеству поперечных элементов (кэ) структуры (например, уточных нитей) на гостируемой эталонной длине и вводят в памя процессора, как исходные данные;

-        при движении материала со скоростью V 0.1м/с и постоянном контактном взаимодействии с чувствительным элементом пьезопреобразователя последний сканирует его рельеф и генерирует электронные импульсы, число которых определяется количеством раппортов переплетения (уточин) во всей транспортируемой длине;

-посредством процессора рассчитывают длину движущегося материала

Технически способ реализуется следующим образом (рис. 10).

Рисунок 10 - Схема системы измерения длины движущегося материала

При движении материала 6 со скоростью V 0.1M/C ПО измерительному тракту щуп (чувствительный элемент) 1 пьезоэлемента 2, находится в постоянном контакте с движущейся поверхностью под действием заданного усилия Р=0.1...0.25Н и происходит непрерывное сканирование рельефа поверхности материала сетчатой структуры. Каждому раппорту переплетения (в частности, сканированной уточине) соответствует электронный импульс, генерируемый пьезопреобразователем 2, т.е. формируемое пьезопреобразователем количество сигналов соответствует количеству считанных структурных элементов движущегося материала.

Генерируемые пьезоэлементом 2 сигналы усиливаются в блоке 3 и поступают посредством блока сопряжения 4 в процессор 5.

Таким образом, в процессор поступит количество импульсов, равных количеству сканированных структурных элементов (раппортов) материала. При этом количество импульсов не зависит от деформации материала, возможного проскальзывания относительно рабочих органов технологического оборудования, неравномерности движения или остановки в случае технологической необходимости, а только от количества раппортов переплетения, сканированных с поверхности материала. Процессор полученную информацию обрабатывает в соответствии с вычислительным алгоритмом.

Вывод

Результаты научно-технического поиска, материалы патентных исследований и практическое изучение действующих измерительных систем, встроенных в технологические машины ПМкР позволяют сделать вывод, что, по сути, ни один вариант из множества предлагаемых технических решений без значительных доработок и изменений принципиального характера, а также без использования специальных аппаратных средств не может обеспечить нормативные метрологические и требуемые системно-информационные характеристики процессов подготовки материалов к раскрою. Поэтому и нет каких-либо объективных предпосылок рекомендовать или брать их за основу для проектирования и практического создания систем измерения линейных характеристик длинномерных легкодеформируемых материалов.

Поэтому было предложено новое техническое решение базе использования пьезометрического преобразователя. Поставленная задача решается тем, что линейный размер раппорта переплетения, соответствующего условиям недеформированного материала предварительно записывают в виде линейного эталонного размера раппорта переплетения в память процессора, как информативный параметр мерного участка длины движущегося легкодеформируемого материала со скоростью не менее 0.1 м/с и постоянным контактным взаимодействием с чувствительным элементом пьезопреобразователя в диапазоне усилия от 0.1 до 0.25Н, измеряют количество раппортов переплетения посредством пьезосканирования рельефа движущейся структуры, при этом значение длины материала определяют по числу генерируемых импульсов, соответствующих количеству структурных элементов (например, количеству уточных нитей), приходящихся на эталонный участок длины /э. При этом количество импульсов не зависит от деформации материала, возможного проскальзывания относительно рабочих органов технологического оборудования, неравномерности движения или остановки в случае технологической необходимости, а только от количества раппортов переплетения, сканированных с поверхности материала. Процессор полученную информацию обрабатывает в соответствии с вычислительным алгоритмом.

Список использованных источников

1. А. с. 1557449 СССР, МКИ G 01 B 7/02, Д О6 H 3/00. Устройство для измерения длины листовых материалов / А.С. Железняков и др.- 1990, Бюл. № 14

2. А. с. 1602906 СССР, МКИ D 06 H 1/00, Д О6 H 3/00. Устройство для измерения длины рулонных материалов / А.С. Железняков и др.- 1990, Бюл. № 40

3. А. с. 1675448 СССР, МКИ D 06 H 1/00, Д О6 H 3/00. Устройство для измерения длины рулонных материалов / А.С. Железняков и др.- 1991, Бюл. № 33

4. Пат. 2086911 РФ, МПК G 01 B 7/04. Устройство для измерения длины материала в рулонах / А.С. Железняков и др.- 1997, Бюл. 22

5. Пат. РФ. № 2256877 РФ. Устройство для измерения длины легкодеформируемых материалов / Г.П. Старкова, В.А. Елтышева, А.С. Железняков. Бюл. № 20.-2005.

6. Пат. РФ. 2231018 РФ. Устройство для измерения длины легкодеформируемых длинномерных материалов / Г.П. Старкова, А.С. Железняков. Бюл. № 17.-2004.

7. Пат. РФ. 2231017 РФ. Измеритель ширины движущихся легкодеформируемых длинномерных материалов / Г.П. Старкова, А.С. Железняков, М.Б. Суслова.

8. Ачеркан А.С. и др. Справочник машиностроителя. Т. 3. – М.: Машгиз, 1963.- 651 с.

9. Коротков В.П., Тайц Б.А. Основы метрологии и теории точности измерительных устройств.- М.: Машиностроение, 1978.- 342 с.

10. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. – Л.: Энергоатомиздат, 1991.- 301 с.