Результат интеллектуальной деятельности: АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ СТЕНД КОНТРОЛЯ ВЫХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СПИРАЛЬНЫХ ПРУЖИН

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для автоматизированного определения величины момента, создаваемого плоской спиральной пружиной или торсионом с неограниченным углом закрутки, плоской пружиной, работающей на изгиб, селективного подбора близких по характеристикам пружин с заданной точностью, контроля качества этапов технологического процесса их изготовления.

Известно устройство контроля крутящих моментов спиральных пружин согласно а.с. СССР SU №1081446, G01L 3/10, опубл. 23.03.1984 г., бюллетень №11, содержащее основание, гнездо, закручивающий шпиндель с жестко закрепленным на нем контрольным рычагом, датчик и электромеханический привод, связанный с закручивающим шпинделем.

Устройство для измерения момента спиральных пружин согласно а.с. СССР №777504, G01L 3/10, опубл. 07.11.1980 г., бюллетень №41 содержит подвижную часть, установленную в корпусе с помощью растяжек, датчик углового положения подвижной части, усилитель, моментный датчик в виде постоянного магнита, закрепленного на подвижной части, и неподвижных катушек и компенсатор жесткости растяжек.

Полуавтомат для проверки крутящих моментов спиральных пружин согласно а.с. СССР №433367, G01L 3/10, опубл. 25.06.1974 г., бюллетень №23 содержит гильзу, свободно посаженную на закручивающий шпиндель, несущий на себе поводок с собачкой, сцепляющейся с храповым колесом шпинделя, и двумя упорными кулачками, определяющими поочередно величину углового спуска проверяемой пружины, механически взаимодействующими с жесткими откидными упорами, два электромагнитных датчика, два грузовых рычага.

Стенд контроля выходных характеристик спиральных пружин согласно а.с. СССР №1732196, G01L 3/10, опубл. 07.05.1992 г., бюллетень №17 содержит датчик угла, счетчик импульсов, блок управления, привод, компаратор, интегратор, аналого-запоминающий блок, блок управления током, аналого-цифровой преобразователь, дешифратор, мультиплексор, блок запуска, блок задержки, привод, источник света, фотоприемник, диск с отверстием датчик угла, опоры, электромагнитную рамку, входной вал, выходной вал, регистратор.

К недостаткам этих устройств следует отнести наличие погрешностей механизмов задания и отсчета моментов закручивания пружин за счет трения между подвижными элементами конструкции, сложность измерения параметров пружин и торсионов с малым моментом и углом закручивания более одного оборота, отсутствие автоматизированного сбора по точкам информации в заданном диапазоне рабочего угла пружин, обработки информации о качестве пружин и отбора пружин регистратором с близкими характеристиками, что важно для измерительных приборов.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению, взятым за прототип, является автоматизированный стенд контроля выходных характеристик спиральных пружин (Патент на изобретение RU №2075895, G01L 3/10, опубл. 20.03.1997 г., бюллетень №8), содержащий подвижную электромагнитную рамку, соединенную через выходной вал стенда с зажимом внутреннего конца испытуемой пружины, и зажим наружного конца испытуемой пружины, соединенный с выходным валом стенда, входной вал стенда, связанный с выходным валом датчика угла и с редуктором, соединенным с электродвигателем, блок управления приводом, первый вход которого связан с выходом элемента И, первый вход которого соединен с первым выходом блока запуска, второй выход которого соединен с установочными входами соответственно счетчика импульсов и аналога запоминающего блока, а вход - с выходом регистратора, компаратор, вход которого подключен к фотоприемнику, связанному с источником света через оптическую систему, а выход через интегратор подключен к информационному входу аналого-запоминающего блока, выход которого соединен с входом блока управления током, управляющие выходы которого через токопроводящие опоры подключены к электромагнитной рамке, а информационный выход подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, информационный выход которого связан с первым информационным входом мультиплексора, запускающий вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, запускающий вход которого соединен с выходом блока задержки, вход которого соединен с вторым входом блока управления приводом и тактовым выходом счетчика импульсов, счетный вход которого связан с выходом датчика угла, а информационный выход - с выходом дешифратора конца измерения и вторым входом мультиплексора, выход которого соединен с регистратором, зеркало на выходном валу стенда, оптически связанное с фотоприемником и через оптическую систему - с источником света, а также дешифратор начала рабочего угла пружины, элемент ИЛИ и блок реверсирования, первый вход которого соединен с выходом блока управления привода, а второй вход - с выходом элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с установочными входами соответственно счетчика импульсов и аналого-запоминающего блока, и вторым выходом блока запуска, второй вход - с входом реверсирования счетчика импульсов и выходом дешифратора конца рабочего угла пружины, а выход дешифратора начала рабочего угла пружины соединен с вторым входом элемента И.

К недостаткам прототипа следует отнести недостаточную эффективность работы стенда контроля: недостаточную точность за счет наличия токопроводящих опор магнитной рамки, вызывающих контактное переходное сопротивление при ее движении и в результате установки зеркала на выходной вал стенда; заниженный диапазон измерения из за недостаточного усилия, развиваемого рамкой; низкую производительность из за наличия блока задержки в схеме контроля.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении эффективности работы стенда: повышении точности измерения момента, создаваемого пружиной в процессе контроля, расширении диапазона измеряемых моментов и устранении погрешности от изменения свойств постоянного магнита поворота рамки во времени за счет старения, а также увеличении производительности контроля за счет исключения блока задержки из функциональной схемы контроля.

Технический результат достигается тем, что в автоматизированном стенде контроля выходных характеристик спиральных пружин, содержащем выходной вал стенда, соединенный с зажимом внутреннего конца испытуемой пружины, и зажим наружного конца испытуемой пружины, связанный с входным валом стенда, соединенным через редуктор с электродвигателем, который подключен к выходу блока управления приводом, блок реверсирования, дешифратор конца измерения, аналого-цифровой преобразователь, регистратор, аналого-запоминающий блок, блок управления током, счетчик импульсов, вход которого связан с выходом датчика угла, а информационный выход с дешифратором конца измерения, компаратор, вход которого подключен к фотоприемнику, связанному с источником света через зеркало оптической системы, интегратор, выход которого связан со входом аналого-запоминающего блока, выход которого соединен с входом блока управления током, информационный выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, информационный выход которого соединен с входом регистратора, а запускающий выход с запускающим входом регистратора, новым является то, что в него введены регулировочное устройство, коромысло, балансировочный груз, тяговая обмотка электромагнита, подключенная к управляющим выходам блока управления током, сердечник электромагнита, установленный на первом плече коромысла, которое жестко закреплено на выходном валу стенда, а на втором плече коромысла установлено зеркало оптической системы и подвижный балансировочный груз, механически соединенный с регулировочным устройством, ключ, вход которого подключен к выходу компаратора, а выход со входом интегратора, блок запуска измерения, узел сцепления, который связывает входной вал датчика угла с входным валом стенда, а его управляющий вход подсоединен к управляющему входу ключа, первому входу первого элемента И, выход которого через блок реверсирования подключен к выходу блока управления приводом и электродвигателю, выходной вал которого через редуктор соединен с входным валом стенда, и выходу блока управления сцеплением, первый вход которого соединен с первым выходом блока запуска измерения, а второй вход связан с установочными входами счетчика импульсов, аналого-запоминающего блока, интегратора и выходом первого элемента ИЛИ, первый вход которого подсоединен ко второму выходу блока запуска измерения, третий выход которого связан с первым входом блока управления приводом, а второй вход первого элемента ИЛИ подключен к выходу второго элемента И, первый вход которого соединен с выходом элемента НЕ, второй вход связан с выходом регистратора и первым входом третьего элемента И, выход которого соединен со вторым входом блока управления приводом, а второй вход подключен к выходу дешифратора конца измерения, входу элемента НЕ и первому входу второго элемента ИЛИ, второй вход которого подсоединен к тактовому выходу счетчика импульсов, а выход соединен с третьим входом блока управлении приводом и первым входом четвертого элемента И, выход которого подключен к запускающему входу аналого-цифрового преобразователя, а второй вход подключен к выходу компаратора, ко второму входу первого элемента И, входу ключа и запускающему входу аналого-запоминающего блока, причем входные валы датчика угла и узла сцепления, входной вал стенда и выходной вал стенда расположены на опорах соосно.

В автоматизированном стенде контроля выходных характеристик спиральных пружин тяговая обмотка электромагнита снабжена магнитопроводом. В автоматизированном стенде контроля выходных характеристик спиральных пружин узел сцепления выполнен в виде электромагнитной муфты. В автоматизированном стенде контроля выходных характеристик спиральных пружин сердечник магнита имеет геометрическую форму профиля, обеспечивающую линейность преобразования тока через тяговую обмотку электромагнита в момент. В автоматизированном стенде контроля выходных характеристик спиральных пружин электродвигатель снабжен электромагнитной муфтой торможения.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1, где представлена структурно-функциональная схема автоматизированного стенда контроля выходных характеристик спиральных пружин.

Здесь:

1 - выходной вал стенда;

2 - зажим внутреннего конца пружины;

3 - испытуемая пружина;

4 - зажим наружного конца пружины;

5 - блок реверсирования;

6 - входной вал датчика угла и узла сцепления 30;

7 - датчик угла;

8 - входной вал стенда;

9 - электродвигатель;

10 - блок управления приводом;

11 - счетчик импульсов;

12 - дешифратор конца измерения;

13 - компаратор;

14 - фотоприемник;

15 - источник света;

16 - зеркало;

17 - оптическая система;

18 - интегратор;

19 - аналого-запоминающий блок;

20 - блок управления током;

21 - аналого-цифровой преобразователь;

22 - регистратор;

23 - третий элемент И;

24 - блок управления сцеплением;

25 - регулировочное устройство;

26 - подвижный балансировочный груз;

27 - коромысло;

28 - тяговая обмотка электромагнита;

29 - сердечник электромагнита;

30 - узел сцепления;

31 - первый элемент ИЛИ;

32 - блок запуска измерения;

33 - второй элемент И;

34 - элемент НЕ;

35 - второй элемент ИЛИ;

36 - четвертый элемент И;

37 - первый элемент И;

38 - редуктор;

39 - ключ;

40 - опора.

Автоматизированный стенд контроля выходных характеристик спиральных пружин включает в себя выходной вал 1 стенда, соединенный с зажимом 2 внутреннего конца испытуемой пружины 3, зажим 4 наружного конца испытуемой пружины 3, связанный с входным валом 8 стенда, соединенным через редуктор 38 с электродвигателем 9, который подключен к выходу блока 10 управления приводом, блок 5 реверсирования, дешифратор 12 конца измерения, аналого-цифровой преобразователь 21, регистратор 22, аналого-запоминающий блок 19, блок 20 управления током, счетчик 11 импульсов, вход которого связан с выходом датчика 7 угла, а информационный выход с дешифратором 12 конца измерения, компаратор 13, вход которого подключен к фотоприемнику 14, связанному с источником 15 света через зеркало 16 оптической системы 17, интегратор 18, выход которого связан со входом аналого-запоминающего блока 19, выход которого соединен с входом блока 20 управления током, информационный выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 21, информационный выход которого соединен с входом регистратора 22, а запускающий выход с запускающим входом регистратора 22, регулировочное устройство 25, подвижный балансировочный груз 26, коромысло 27, тяговая обмотка 28 электромагнита, подключенная к управляющим выходам блока 20 управления током, сердечник 29 электромагнита, установленный на первом плече коромысла 27, которое жестко закреплено на выходном валу 1 стенда, а на втором плече коромысла 27 установлено зеркало 16 оптической системы и подвижный балансировочный груз 26, механически соединенный с регулировочным устройством 25, ключ 39, блок 32 запуска измерения, узел 30 сцепления, который связывает входной вал датчика 7 угла с входным валом 8 стенда, а его управляющий вход подсоединен к управляющему входу ключа 39, первому входу первого элемента И 37, выход которого через блок 5 реверсирования подключен к выходу блока 10 управления приводом и электродвигателю 9, выходной вал которого через редуктор 38 соединен с входным валом 8 стенда, и выходу блока 24 управления сцеплением, первый вход которого соединен с первым выходом блока 32 запуска измерения, а второй вход связан с установочными входами счетчика 11 импульсов, аналого-запоминающего блока 19, интегратора 18 и выходом первого элемента ИЛИ 31, первый вход которого подсоединен ко второму выходу блока 32 запуска измерения, третий выход которого связан с первым входом блока 10 управления приводом, а второй вход первого элемента ИЛИ 31 подключен к выходу второго элемента И 33, первый вход которого соединен с выходом элемента НЕ 34, второй вход связан с выходом регистратора 22 и первым входом третьего элемента И 23, выход которого соединен со вторым входом блока 10 управления приводом, а второй вход подключен к выходу дешифратора 12 конца измерения, входу элемента НЕ 34 и первому входу второго элемента ИЛИ 35, второй вход которого подсоединен к тактовому выходу счетчика 11 импульсов, а выход соединен с третьим входом блока 10 управлении приводом и первым входом четвертого элемента И 36, выход которого подключен к запускающему входу аналого-цифрового преобразователя 21, а второй вход подключен к выходу компаратора 13, ко второму входу первого элемента И 37, входу ключа 39, и запускающему входу аналого-запоминающего блока 19, причем входные валы датчика 7 угла и узла 30 сцепления, входной вал 6 стенда и выходной вал 1 стенда расположены на опорах соосно.

В автоматизированном стенде контроля выходных характеристик спиральных пружин тяговая обмотка 28 электромагнита снабжена магнитопроводом. В автоматизированном стенде контроля выходных характеристик спиральных пружин узел 30 сцепления выполнен в виде электромагнитной муфты. В автоматизированном стенде контроля выходных характеристик спиральных пружин сердечник 29 магнита имеет специальную геометрическую форму профиля. В автоматизированном стенде контроля выходных характеристик спиральных пружин электродвигатель 9 снабжен электромагнитной муфтой торможения.

Стенд контроля работает следующим образом. Перед включением процесса контроля пружины балансируют коромысло 27 с помощью груза 26 путем перемещения его регулировочным устройством 25, ориентируясь на срабатывание компаратора 13 по его индикации. Испытуемую пружину 3 закрепляют в зажимах 2 и 4 при отсутствии сцепления между выходным валом 6 датчика 7 угла и входным валом 1 стенда. Далее включают блок 32 запуска измерения, который генерирует последовательность импульсов: первый импульс с выхода 2 через схему ИЛИ 31 поступает соответственно на установочные входы блока 24 управления сцеплением, подтверждая его отключенное состояние, на установочный вход счетчика импульсов, обнуляя его, установочный вход аналого-запоминающего блока 19, обнуляя его, установочный вход интегратора 18, обнуляя его, второй импульс с первого выхода блока 32 запуска измерения через блок 24 управления сцеплением открывает ключ 39 для прохождения сигнала от компаратора 13 к интегратору 18 и включает узел 30 сцепления входного вала 8 стенда с выходным валом 6 датчика угла, третий импульс с третьего выхода блока 32 запуска измерения через блок 10 управления приводом включает электродвигатель 9, который через редуктор 38 начинает вращать входной вал 8 стенда, который связан с зажимом 4 внешнего конца пружины 3. При закручивании исследуемой пружины 3 через зажим 4 внешнего конца пружины 3 создается через пружину 3 вращение выходного вала 1 стенда, которое выводит из равновесия коромысло 27 и луч, создаваемый от источника 15 света через оптическую систему 17, при отражении от зеркала 16 не попадает на фотоприемник 14, а это вызывает срабатывание компаратора 13, на выходе которого возникает напряжение, поступающее через ключ 39 на вход интегратора 18, выходное напряжение которого нарастает и через аналого-запоминающий блок 19 и блок 20 управления током и тяговую обмотку 28 воздействует на сердечник 29 электромагнита, увеличивая силу втягивания, т.е. создается нарастающий противодействующий момент на плечо коромысла 27 моменту закручивания пружины 3 входным валом 5. При вращении входного вала 8 стенда вращается связанный с ним входной вал 6 датчика 7 угла, который вырабатывает импульсы, количество которых будет пропорционально углу закручивания пружины 3. Эти импульсы подаются на счетный вход счетчика импульсов 11, а при достижении их количества, соответствующего заданной в регистраторе точке отсчета характеристики пружины, на его тактовом выходе появляется сигнал отсчета, который через элемент ИЛИ 35 поступает на третий вход блок 10 управления приводом и останавливает электродвигатель 9. В это время ток в тяговой обмотке 28 еще нарастает до полной компенсации момента закручивания пружины, созданного входным валом 8 стенда. При уравновешивании коромысла 27 срабатывает компаратор 13, который включает аналого-запоминающий блок 19, фиксирующий значение момента пружины пропорционального значению тока через тяговую обмотку 28 электромагнита от управляющего выхода блока 20 управления током, а через схему И 36 запускает аналого-цифровой преобразователь 21 точки измерения момента пружины 3 от информационного выхода блока 20 управлении током. При этом первый элемент И 37 закрыт для прохождения сигнала, т.к. нет разрешающего сигнала от блока 24 управления сцеплением. После окончания преобразования в аналого-цифровом преобразователе 21 он вырабатывает сигнал конца измерении, который включает регистратор 22 для сбора и обработки информации значений момента закручивания по заданным точкам значения угла, заложенным в программе регистратора. При окончании процесса фиксации точки измерения регистратор 22 выдает сигнал запуска следующей точки измерения через открытый элемент И 23 на блок 10 управления приводом и включает электродвигатель 9 для перехода к следующей точке контроля, а в это время элемент И 33 закрыт для прохождения того же сигнала. После достижения конечной точки измерения угла закручивания пружины срабатывает дешифратор конца измерения, который через элемент ИЛИ 35 и блок 10 управления приводом останавливает двигатель 9 через третий вход блока 10 управления приводом. При достижении момента срабатывания компаратора 13 запускается аналого-цифровой преобразователь 21 через четвертый элемент И 36 для регистрации значения момента, соответствующего конечному углу закручивания испытуемой пружины. При срабатывании дешифратора 12, кроме того, третий элемент И 23 закрывает прохождение сигнала запуска следующей точки измерения к блоку 10 управления приводом от регистратора 22 и открывает через элемент НЕ 34 второй элемент И 33 для его прохождения этого сигнала и в результате он через первую схему ИЛИ 31 воздействует на установочные входы счетчика 11 импульсов, интегратора 18, обнуляя его, аналого-запоминающего блока 19, обнуляя его, и, соответственно, через блок 20 управления током отключается тяговая обмотка 28 электромагнита. В результате этого испытуемая пружина 3 выводит из равновесия коромысло 27 и срабатывает компаратор 13. При этом обнуляется также и блок 24 управления сцеплением, который отключает узел 30 сцепления, закрывает ключ 39 для прохождения сигнала на интегратор 18 и открывает элемент И 37 для прохождения сигнала от компаратора 13 на блок 5 реверсирования, который включает вращение двигателя в обратном направлении. Процесс реверсирования будет продолжаться до момента срабатывания компаратора 13, который через элемент И 37 и блок 5 реверсирования отключает электродвигатель 9. При реверсировании датчик 7 угла не вращается, поэтому процесс регистрации не функционирует, а работает реверсирование в ожидании срабатывания компаратора 13, который отключен от интегратора 18, т.е. полной раскрутки испытуемой пружины 3.

Все блоки в стенде реализуются на известных аналоговых и цифровых интегральных микросхемах, узел сцепления может быть выполнен в виде электромагнитной муфты сцепления.

Таким образом, заявляемый автоматизированный стенд контроля выходных характеристик спиральных пружин позволяет увеличить точность измерения устранением погрешности от изменения свойств постоянного магнита поворота рамки во времени за счет старения, за счет предварительной балансировки подвижным грузом на коромысле, т.е. исключить систематическую погрешность измерения, а также точности срабатывания компаратора путем установки зеркала на плечо коромысла, а за счет введения в конструкцию электромагнита расширить диапазон измерения моментов пружины или торсиона, для исследования которого достаточно заменить зажимы на торцевые, а для контроля плоских пружин схема зажима практически не изменяется, уменьшить время исследования пружины, которое определяется для каждой точки измерения только временем преобразования аналого-цифрового преобразователя и регистратора, а не за счет блока задержки из функциональной схемы контроля прототипа. В результате сбора и обработки информации о характеристиках некоторого количества пружин можно по заданной программе обработки информации, заложенной в регистраторе, подобрать пружины с близкими характеристиками с заданной точностью.