RU2439487C2

RU2439487C2 - Device and method for noncontact measurement of curvature of long object

Info

Publication number: RU2439487C2
Application number: RU2009111096/28A
Authority: RU
Inventors: Павел Иванович Горковенко (RU); Павел Иванович Горковенко; Дмитрий Львович Шапиро (RU); Дмитрий Львович Шапиро; Дмитрий Александрович Ковриков (RU); Дмитрий Александрович Ковриков; Николай Валентинович Смирнов (RU); Николай Валентинович Смирнов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Люмента"
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2012-01-10
Also published as: RU2009111096A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: device and method is intended to be used at measurement of curvature through certain base length of object (2t), for example per 1 running metre and maximum curvature through the whole length of the object. The basis of measurements is proximity sensors. Condition of measurements is straight-line movement of the object. There can be deviations at movement in the form of transverse offsets and vibration. In order to relate measurements to length and to compose the object curvature chart, speed sensor is used. Enough number of sensors will be log₂(L/t)+2 sensors. They are located at distances of (t, t, 2t, 4t, 8t, 16t,…) between each other, where t - half of the base distance for curvature measurement.

EFFECT: device allows reducing the number of involved sensors at curvature measurement.

2 cl, 7 dwg

Description

Описание изобретенияDescription of the invention

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для автоматизированного контроля кривизны различных длинномерных объектов, например, относящихся к продукции прокатных и трубных производств, в технологическом потоке.The invention relates to the field of measuring technology and can be used for automated control of the curvature of various lengthy objects, for example, related to the products of rolling and pipe production, in the process stream.

Известно устройство для контроля геометрических размеров рельса (описание изобретения к патенту РФ №2314953, кл. B61K 9/08, E01B 35/00, 2006 г.), включающее в себя измерительную платформу, на которой установлены шесть оптических датчиков, три из которых контролируют верхнюю поверхность, три - боковую поверхность, в начале, центре и конце рельса. Основным недостатком данного устройства является то, что для проведения измерений необходимо произвести "заневоливание" объекта, отсюда следует вывод о невозможности проведения измерений в технологическом потоке без снижения темпа работы.A device for monitoring the geometric dimensions of the rail (description of the invention to the patent of the Russian Federation No. 2314953, class B61K 9/08, E01B 35/00, 2006), including a measuring platform on which six optical sensors are installed, three of which control top surface, three - side surface, at the beginning, center and end of the rail. The main disadvantage of this device is that for measurements it is necessary to “gouge” the object, hence the conclusion about the impossibility of taking measurements in the process stream without reducing the pace of work.

Также известно устройство для контроля прогиба рельса (описание изобретения к патенту РФ №2333858, кл. B61K 9/08, E01B 35/02, 2005 г.), включающее в себя измерительную платформу, на которой установлены три оптических датчика, контролирующих рельс в его начале, конце и середине, в одной плоскости. Это устройство работает на теневом принципе оптических измерений. Недостатком является то, что существуют ограничения на поперечный размер объекта: он должен быть меньше, чем используемый осветитель. Кроме того, нет возможности измерения кривизны объекта на всей длине.Also known is a device for monitoring rail deflection (description of the invention to RF patent No. 2333858, class B61K 9/08, E01B 35/02, 2005), including a measuring platform on which three optical sensors are installed that monitor the rail in it beginning, end and middle, in one plane. This device operates on the shadow principle of optical measurements. The disadvantage is that there are restrictions on the transverse size of the object: it must be smaller than the illuminator used. In addition, it is not possible to measure the curvature of an object along its entire length.

Также в вышеперечисленных устройствах отсутствует возможность контроля кривизны объекта на базовом участке длины объекта, например на 1 метре, еще одним недостатком является то, что данные устройства предназначены для проведения измерений объектов, имеющих постоянную длину.Also, in the above devices, it is not possible to control the curvature of the object on the base section of the length of the object, for example 1 meter, another drawback is that these devices are designed to measure objects with a constant length.

Известно устройство для контроля радиуса кривизны поверхности (описание изобретения к патенту США №20080289205, кл. G01B 3/16, G01B 3/00, G01C 3/08, G01S 3/80, 2008 г.), состоящее из основания с закрепленными на нем бесконтактными сенсорами измерения расстояния между сенсором и измеряемой поверхностью. Данное устройство по показаниям сенсоров производит расчет радиуса кривизны. Описанное устройство может применяться для измерения кривизны движущегося длинномерного объекта, при этом для построения общей карты кривизны поверхности необходимо складывать одиночные измерения. При этом общая погрешность измерения на всю длину объекта сложится из погрешностей одиночных измерений. Таким образом, общая погрешность измерения кривизны объекта увеличивается при увеличении длины измеряемого объекта, что является недостатком указанного устройства.A device for controlling the radius of curvature of the surface (description of the invention to US patent No.20080289205, CL G01B 3/16, G01B 3/00, G01C 3/08, G01S 3/80, 2008), consisting of a base mounted on it non-contact sensors measure the distance between the sensor and the measured surface. This device according to the readings of the sensors calculates the radius of curvature. The described device can be used to measure the curvature of a moving long object, while to create a general map of the surface curvature, it is necessary to add single measurements. In this case, the total measurement error for the entire length of the object will consist of the errors of single measurements. Thus, the total measurement error of the curvature of the object increases with increasing length of the measured object, which is a disadvantage of this device.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для контроля прямолинейности рельсов (описание изобретения к патенту РФ №2283792, кл. B61K 9/08, G01B 15/04, 2004 г.), выбранное в качестве прототипа. Устройство содержит не менее трех радиочастотных датчиков для бесконтактного измерения расстояния до поверхности рельса. Оценка кривизны происходит в зависимости от величины зазоров между неподвижными радиочастотными датчиками и контролируемыми поверхностями рельса, используя сплайн-интерполяцию.Closest to the proposed invention is a device for controlling the straightness of rails (description of the invention to the patent of the Russian Federation No. 2283792, class B61K 9/08, G01B 15/04, 2004), selected as a prototype. The device contains at least three radio frequency sensors for non-contact measurement of the distance to the rail surface. The curvature is estimated depending on the size of the gaps between the stationary RF sensors and the monitored rail surfaces using spline interpolation.

Недостатком известного устройства является низкая точность определения величины кривизны, рассчитываемая с помощью сплайн-интерполяции. Для достижения точности, приемлемой при контроле проката, необходимо увеличивать количество используемых датчиков, что одновременно ведет к увеличению времени расчета значений кривизны.A disadvantage of the known device is the low accuracy of determining the magnitude of the curvature, calculated using spline interpolation. In order to achieve the accuracy acceptable for rolling control, it is necessary to increase the number of sensors used, which at the same time leads to an increase in the time for calculating the curvature values.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, повышение точности и надежности измерения, сокращение числа датчиков при измерении длинномерных объектов, минимизация затрат на внедрение и последующее обслуживание, повышение качества продукции, проведение измерений кривизны объекта на заданный участок длины (например, 1 м) и на всю длину с одинаковой погрешностью.The aim of the invention is to remedy these disadvantages, improve the accuracy and reliability of measurement, reduce the number of sensors when measuring long objects, minimize the cost of implementation and subsequent maintenance, improve product quality, measure the curvature of an object for a given length (for example, 1 m) and for length with the same error.

Предложенные устройство и способ измерения кривизны длинномерных объектов устраняет описанные недостатки, позволяет проводить измерения кривизны в условиях вибрации и поперечного смещения движущегося объекта и позволяет минимизировать количество задействованных датчиков.The proposed device and method for measuring the curvature of long objects eliminates the described disadvantages, allows you to measure curvature under vibration and lateral displacement of a moving object, and allows you to minimize the number of sensors involved.

Устройство и способ измерения кривизны длинномерных объектов предназначены для использования при измерении кривизны на базовом расстоянии (длиной 2t), например на 1 метре, и максимальной кривизны на всей длине объекта. Основой измерений являются датчики расстояния до объекта, закрепленные на неподвижном основании. В качестве датчиков могут применяться датчики различного типа: оптические, индуктивные, емкостные, лазерные и т.п. Показания датчиков поступают в блок анализа и обработки информации, в котором и производится последующий расчет. Условие измерений - прямолинейное движение объекта. Могут присутствовать отклонения при движении в виде поперечных смещений и вибрации.The device and method for measuring the curvature of long objects are intended for use in measuring curvature at a base distance (2t long), for example, 1 meter, and the maximum curvature over the entire length of the object. The basis of measurements are distance sensors to the object, mounted on a fixed base. Various types of sensors can be used as sensors: optical, inductive, capacitive, laser, etc. The readings of the sensors are sent to the information analysis and processing unit, in which the subsequent calculation is performed. The measurement condition is the rectilinear motion of the object. Deviations during movement in the form of lateral displacements and vibration may be present.

Кроме того, для привязки измерений к длине и составления карты кривизны объекта используются показания датчика скорости, который может быть оптического или механического типа.In addition, to bind the measurements to the length and compile a map of the curvature of the object, the readings of the speed sensor are used, which can be of an optical or mechanical type.

Пространственно размещение датчиков показано на фиг.1.The spatial arrangement of the sensors is shown in figure 1.

Измерения проводятся в плоскости, проходящей через ось объекта. В случае необходимости проведения измерения кривизны объекта в двух перпендикулярных осях, устанавливается дополнительный ряд датчиков под углом 90 градусов к первому ряду.Measurements are taken in the plane passing through the axis of the object. If it is necessary to measure the curvature of the object in two perpendicular axes, an additional row of sensors is installed at an angle of 90 degrees to the first row.

Для измерения кривизны объекта на базовом расстоянии длиной 2t используются три датчика расстояния до объекта D1, D2, D3, расположенные последовательно вдоль движения объекта на расстояниях t друг от друга, фиг.2. Датчики производят синхронное измерение расстояний до поверхности объекта R1, R2, R3 во время движения.To measure the curvature of the object at a base distance of 2t, three distance sensors to the object D1 , D2 , D3 are used , located in series along the object at distances t from each other, Fig.2. The sensors synchronously measure the distances to the surface of the object R1 , R2 , R3 during movement.

Измерение кривизны на длину 2t (базовая кривизна) является относительным и определяется какThe measurement of curvature over a length of 2t (basic curvature) is relative and is defined as

CUR=R2-(R1+R3)/2CUR = R2- (R1 + R3) / 2

Привязка измеренной кривизны на базовую длину 2t к скорости объекта, получаемой от измерителя скорости, позволяет, после выхода объекта из зоны измерения, создать карту кривизны объекта. Таким образом, производится измерение кривизны на длину 2t в каждой точке объекта.Linking the measured curvature to a base length of 2t to the speed of the object obtained from the speed meter allows, after the object leaves the measurement zone, to create a map of the curvature of the object. Thus, the curvature is measured for a length of 2t at each point of the object.

Одновременно по вышеописанному методу производятся замеры кривизны тройками датчиков D1, D3, D4 - на длину 4t, D1, D4, D5 - на длину 8t и т.д.At the same time, according to the method described above, the curvature is measured by triples of sensors D1, D3, D4 - for a length of 4t, D1, D4, D5 - for a length of 8t, etc.

Таким образом, после выхода объекта из зоны измерения будет известна кривизна в каждой точке объекта в плоскости измерения в нескольких масштабах измерения. Это позволяет построить карту кривизны трубы со 100% покрытием измерений. Анализ карты кривизны позволяет определить максимальную кривизну как на базовой длине, так и кривизну, приходящуюся на всю длину объекта.Thus, after the object leaves the measurement zone, the curvature at each point of the object in the measurement plane at several measurement scales will be known. This allows you to build a pipe curvature map with 100% measurement coverage. Analysis of the map of curvature allows you to determine the maximum curvature both at the base length and the curvature corresponding to the entire length of the object.

Блок анализа и обработки информации выполняет алгоритм построения карты кривизны объекта по следующим шагам.The information analysis and processing unit implements the algorithm for constructing an object curvature map in the following steps.

1. Выбирается замер кривизны в масштабе, максимально перекрывающем объект по длине, центральное значение которого соответствует центру объекта (см. фиг.3). Абсолютные значения выбранного замера вносятся в результирующую карту кривизны объекта и считаются опорными. Дальнейшее построение карты будет производиться относительно опорных точек.1. Selects the measurement of curvature in a scale that overlaps the object in length, the central value of which corresponds to the center of the object (see figure 3). The absolute values of the selected measurement are entered in the resulting map of the curvature of the object and are considered as reference. Further construction of the map will be carried out relative to reference points.

2. Производится поиск замера кривизны (из полученных значений) в масштабе в два раза меньше опорного, такого, что боковые точки измерения сходятся (привязка по длине) с крайней и центровой точками опорного замера. Абсолютные значения точек найденного замера геометрически сводятся с опорным замером кривизны таким образом, чтобы координаты боковых точек совпали с координатами боковой и центральной точек опорного замера (см. фиг.4). В результате операции получаем новую координату центральной точки найденного замера, с привязкой к опорному замеру кривизны, и двукратное уточнение итоговой карты кривизны (см. фиг.5).2. A search is made to measure the curvature (from the obtained values) on a scale two times smaller than the reference one, such that the lateral measurement points converge (length reference) with the extreme and center points of the reference measurement. The absolute values of the points of the measurement found are geometrically reduced with the reference measurement of curvature so that the coordinates of the side points coincide with the coordinates of the lateral and central points of the reference measurement (see figure 4). As a result of the operation, we obtain the new coordinate of the central point of the found measurement, with reference to the reference measurement of curvature, and a twofold refinement of the final map of curvature (see Fig. 5).

3. Операция уточнения карты кривизны рекурсивно производится до расстояния t (см. фиг.6).3. The operation of updating the map of curvature is recursively performed to a distance t (see Fig.6).

4. Построение карты кривизны за краями опорного замера производится методом наращивания разницы между абсолютными замерами, произведенными в один момент времени с датчиков, расположенных на расстояниях t, 2t, 4t, 8t и т.д. (см. фиг.7).4. The construction of a map of curvature beyond the edges of the reference measurement is carried out by increasing the difference between the absolute measurements made at one time from sensors located at distances t, 2t, 4t, 8t, etc. (see Fig.7).

5. На концевые участки объекта, которые не охватываются одним приращением, производится повторное приращение. Датчики расположены таким образом, что максимально требуемое количество приращений равняется двум.5. At the end sections of the object, which are not covered by one increment, a repeated increment is performed. The sensors are arranged in such a way that the maximum required number of increments is two.

В результате вышеперечисленных операций получаем полную карту кривизны, без воздействий вибрации и смещений, по которой рассчитывается максимальная кривизна объекта, приходящаяся на всю длину.As a result of the above operations, we obtain a complete map of the curvature, without the effects of vibration and displacements, according to which the maximum curvature of the object, which falls over the entire length, is calculated.

Новизна изобретения заключается в расположении датчиков на расстояниях, позволяющих уменьшить их общее количество - для одновременного измерения кривизны объекта на всю длину и на базовое расстояние 2t нет необходимости устанавливать L/t датчиков (при длине объекта L). Достаточное количество составит log₂(L/t)+2 датчиков. При этом погрешность измерения останется неизменной при любой длине объекта измерения.The novelty of the invention lies in the location of the sensors at distances that reduce their total number - for the simultaneous measurement of the curvature of the object over the entire length and the base distance 2t, there is no need to install L / t sensors (with the length of the object L). A sufficient amount will be log ₂ (L / t) +2 sensors. In this case, the measurement error will remain unchanged for any length of the measurement object.

Claims

1. Способ измерения кривизны длинномерного объекта, заключающийся в том, что для измерения кривизны на базовом продольном участке объекта длиной 2t и максимальной кривизны на всю длину объекта используются датчики (оптические, индуктивные, емкостные, лазерные и т.п.) расстояний до объекта, отличающийся тем, что датчики расположены между собой на расстояниях (t, t, 2t, 4t, 8t, 16t…), где t - половина базового расстояния для измерения кривизны и требует для своей реализации log₂(L/t)+2 датчиков, где L - длина объекта; t - половина базового расстояния.1. The method of measuring the curvature of a long object, which consists in the fact that to measure the curvature in the base longitudinal section of the object with a length of 2t and the maximum curvature for the entire length of the object, sensors (optical, inductive, capacitive, laser, etc.) of the distances to the object are used, characterized in that the sensors are located at a distance (t, t, 2t, 4t, 8t, 16t ...), where t is half the base distance for measuring curvature and requires for its implementation log ₂ (L / t) +2 sensors, where L is the length of the object; t is half the base distance.

2. Устройство для измерения кривизны длинномерного объекта, содержащее датчики расстояния до объекта (оптические, индуктивные, емкостные, лазерные и т.п.), отличающееся тем, что требует для своей реализации датчики в количестве log₂(L/t)+2, где L - длина объекта; t - половина базового расстояния, при этом датчики расположены вдоль объекта на расстояниях между собой (t, t, 2t, 4t, 8t, 16t…), где t - половина базового расстояния для измерения кривизны, при этом устройство дополнительно содержит измеритель скорости объекта и блок анализа и обработки информации. 2. A device for measuring the curvature of a long object, containing distance sensors to the object (optical, inductive, capacitive, laser, etc.), characterized in that it requires sensors in the amount of log ₂ (L / t) +2, where L is the length of the object; t is half the base distance, while the sensors are located along the object at distances between each other (t, t, 2t, 4t, 8t, 16t ...), where t is half the base distance for measuring curvature, the device further comprises an object speed meter and information analysis and processing unit.