CZ28316U1 - Zařízení pro měření a vyhodnocení prostorového pohybu konstrukčních celků s využitím snímačů vzdálenosti - Google Patents

Description

Zařízení pro měření a vyhodnocení prostorového pohybu konstrukčních celků s využitím snímačů vzdálenosti

Oblast techniky

Řešení se týká stanovení polohy a/nebo změny polohy zkoumaného objektu v prostoru a vyhodnocení jeho obecného pohybu.

Dosavadní stav techniky

Dokonalá znalost prostorového pohybu konstrukčních celků je velmi důležitá v nejrůznějších oblastech, zejména ve strojírenském průmyslu. Každé tuhé těleso v prostoru má 6 stupňů volnosti, jeho poloha je dána šesti souřadnicemi (tři polohové a tři úhlové). Při určování, zda dochází ke změně jeho polohy nebo orientace, je tedy třeba měřit alespoň 6 veličin. Měří se jedna nebo několik vzdáleností mezi jedním nebo více délkovými měřicími systémy, např. laserovým interferometrem, a referenčním bodem uspořádaným na tělese, případně jsou měřeny úhly mezi spojnicemi měřicí systém-referenční bod vzájemně mezi sebou nebo vzhledem k základně (rámu) apod. Stanovení polohy nebo orientace tělesa je pak prováděno řešením geometrických závislostí mezi měřenými veličinami, např. triangulací.

V přihlášce vynálezu ě. PV 2003-2108: je popsán způsob a zařízení pro určení polohy objektu v prostoru, prostřednictvím alespoň jednoho referenčního elementu na objektu nebo na základně a prostřednictvím alespoň dvou měřicích systémů pro měření vzdálenosti a/nebo úhlů k referenčnímu elementu a/nebo mezi sebou. Hodnoty všech výchozích neproměnných rozměrů jsou předem stanoveny a mezi veličinami měřenými měřicími systémy nebo výchozími neproměnnými rozměry je alespoň jedna vzdálenost, přičemž se pro každou určovanou polohu objektu změří takový počet veličin, který je větší než počet stupňů volnosti objektu v prostoru s tím, že naměřené veličiny jsou využity pro stanovení polohy objektu. Měřicí systémy jsou realizovány např. laserovými interferometry, optickými kamerami nebo prostými laserovými sledovaěi. Předmětný patent je založen na měření většího počtu veličin, než je počet stupňů volnosti zkoumaného objektu, což vlastní měření prodražuje.

V přihlášce užitného vzoru č. PUV 2008-19878, je popsáno zařízení pro měření polohy a/nebo změny polohy tělesa. Takovýmto tělesem může být například prací jednotka automatické pračky nebo jiný za provozu vibrující konstrukční celek za účelem zjišťování změn místa a orientace tělesa vibrujícího v prostoru. Zařízení obsahuje minimálně šest snímačů vzdálenosti pro měření vzdálenosti mezi fixním bodem a tím bodem na povrchu tělesa, který v okamžiku měření leží vůči fixnímu v určeném směru. Každý ze snímačů vzdálenosti je v kontaktu s nejméně jedním zařízením pro fixaci polohy a směru snímačů vzdálenosti. Zařízení pro fixaci polohy a směru sestává z vodícího sloupu, který je spojen se základnou, přičemž na vodicím sloupu je suvně a/nebo otočně upraven nejméně jeden snímač vzdálenosti. Vysoký počet snímačů představené řešení prodražuje a vlastní proces měření je relativně složitý.

Většina používaných způsobů a zařízení pro měření vibrací tuhých těles či konstrukčních celků je založená na optických metodách. Ty většinou využívají dynamickou fotogrammetrii, digitální korelaci obrazu či metodu interferometrickou. Výhodou těchto metod je možnost měření deformací a vyhodnocení napjatosti na povrchu zkoumaného tělesa. Ovšem používaná zařízení jsou velmi nákladná z důvodu použití dvou drahých rychlých kamer případně laserové techniky a specifického software pro vyhodnocení. Často je navíc nutné před realizací měření na konstrukční celek nanést opticky citlivou vrstvu ěi síť bodů, jejichž okamžitá poloha se pak měří.

Cílem řešení je navrhnout zařízení, které by umožňovalo jednoduchý a levný způsob měření a vyhodnocení prostorového pohybu konstrukčních celků, který využívá minimálního počtu snímačů polohy.

-1 CZ 28316 U1

Podstata technického řešení

Cíle dosažen zařízením kprovádění způsobu, jehož podstata spočívá vtom, že zahrnuje dvojici 2D snímačů vzdáleností, případně jednoho 2D snímače a dvou jednosložkových snímačů vzdálenosti, upevněných v držácích prostřednictvím aretace, kde držáky jsou mechanicky připevněny ke stojanu a 2D snímače jsou prostřednictvím datových kabelů včetně sběrnice dat připojeny k řídící jednotce PC, ve kterém je instalováno softwarové vybavení.

Za hlavní výhody navrhovaného řešení zařízení lze považovat:

- použití malého počtu snímačů polohy vzhledem k tomu, že lze měřit obecný prostorový pohyb tuhého tělesa;

- využití menšího počtu snímačů v porovnání s použitím jednoosých snímačů vzdálenosti a z toho odvíjející se zjednodušení přípravy a realizace měření;

- snížení nákladů na energie při aplikaci popsaného způsobu měření;

- je možno použít libovolný typ snímačů polohy například indukční, ultrazvukové, laserové, podmínkou je dostatečná snímací frekvence;

- v reálném čase je možno získat okamžitou polohu (případně rychlost i zrychlení) kteréhokoliv bodu tělesa, což může pomoci při návrhu dalších konstrukčních prvků a součástí;

- odstranění nutnosti aplikace opticky citlivé vrstvy na snímaný konstrukční prvek oproti použití optických kamer

- přesnost vyhodnocení měření spočívající vtom, že ve vyhodnocovací proceduře se neuvažují žádné zjednodušující předpoklady, proto nedochází k zvětšování chyby měření při zpracování získaných signálů.

Objasnění výkresů

Zařízení je dále přiblíženo pomocí výkresů, kde obr. 1 znázorňuje variantu využití 2ks 2D snímačů vzdálenosti, obr. 2 znázorňuje variantu využití lks 2D snímače vzdálenosti a 2ks ID snímačů vzdálenosti, obr. 3 znázorňuje variantu využití 2ks 2D snímačů vzdálenosti s přídavným přípravkem s měřenými plochami umístěným na zkoumaném objektu a obr. 4 znázorňuje ortogonální souřadný systém.

Příkladné uskutečnění technického řešení

Zařízení podle tohoto technického řešení umožňuje způsob měření a vyhodnocování prostorového pohybu konstrukčních celků, který spočívá v záznamu šesti nezávislých veličin v podobě posuvů (měřených bodů 4) anebo úhlů 5 natočení zjišťovaných na třech navzájem kolmých měřených rovinách 14 za použití referenčního ortogonálního souřadného systému x, y, z, který je po dobu měření nehybný. Takto zjištěné veličiny jsou následně využity pro stanovení okamžité polohy kteréhokoliv bodu zkoumaného objektu. Podstatou způsobu měření je tedy záznam a vyhodnocení pouze šesti zobecněných posuvů zkoumaného objektu 2, což odpovídá počtu stupňů volnosti tuhého tělesa v prostoru, přičemž čím více úhlů 5 z těchto 6 -ti veličin je měřeno, tím přesněji je pozice objektu 2 vyhodnocena. Jedná se o jednoduchý princip měření.

Při měření se využívá tří navzájem kolmých rovin, tzv. měřené roviny 14 na zkoumaném objektu 2, přičemž pokud nejsou takové roviny k dispozici, je nutné tyto roviny vytvořit. K tomu účelu slouží přípravek 13 pro měření, který měřené roviny 14 obsahuje.

2D snímač 1 vzdálenosti umožňuje stanovit vždy dvě souřadnice bodu či více bodů v jedné rovině. Tato rovina bude dále nazývána profilová rovina. V případě laserových snímačů je profilová rovina tvořena svazkem laserových paprsků. Šířka svazku paprsků v dané vzdálenosti od snímače pak definuje vzdálenost krajních sledovatelných bodů 2D snímače 1, tedy pracovní roz- 2 CZ 28316 Ul sah snímače. Pro další účely je zaveden pojem referenční roviny, která pak prochází body nacházejícími se v polovině pracovního rozsahu snímače a je zároveň kolmá na profilovou rovinu.

Na počátku měření jsou 2D snímače I vzdálenosti umístěny tak, že profilová rovina je kolmá na průsečnici dvou měřených rovin zkoumaného objektu 2 a referenční rovina snímače, dělící snímanou oblast na dvě stejně velké části, svírá úhel v rozmezí 95° až 175° k měřeným rovinám, nejlépe však 135°. Tento úhel se volí dle očekávaných limitních výchylek objektu jednotlivých měřených rovin a rozsahu použitého 2D snímače 1.

Před započetím měření je nutné odečíst vzdálenosti profilových rovin obou 2D snímačů I vzdáleností od průsečnice dvou měřených rovin.

2D snímače 1 umožňují obecně stanovit vzdálenosti vybraných měřených bodů 4 na měřených rovinách 14 ve směru kolmém na tyto měřené roviny.

2D snímače I vzdáleností zaznamenávají/měří pozici měřených bodů 4 anebo úhly 5 měřené 2D snímačem I v reálném čase.

Měří se vždy 6 veličin, např. dva úhly 5, a čtyři souřadnice měřených bodů 4 ve zvolených měřených rovinách 14, jak je patrné z obr. 1 a obr. 2.

Zařízení zahrnuje dvě primární části. První z nich je hardwarová část, která zahrnuje 2D snímač/e I anebo ID snímač/e 6 vzdálenosti umístněných/ném v držácích/ku 8.

Sběr měřených dat, jejich zpracování a vyhodnocování výsledků měření se provádí pomocí druhé primární části, kterou je řídící jednotka 11 počítače s implementovaným softwarovým vybavením 12. Řídící jednotka JT zaznamenává a dále zpracovává libovolné kombinace měřených šesti veličin určujících pozici objektu 2, tedy α, β úhlů 5 či vzdáleností měřených bodů 4.

Zařízení lze zkonstruovat v různých variantách provedení.

Jedna z variant zařízení je znázorněna na obr. 1. Zařízení v tomto provedení zahrnuje dvojici 2D snímačů 1 vzdálenosti, které jsou upevněny v držácích 8 prostřednictvím aretace 10. Aretace může být realizována například svěmým spojením, zajištění kolíkem, či jiným mechanickým způsobem. Držáky 8 jsou upevněny ke stojanu 9. 2D snímače 1 jsou prostřednictvím datových kabelů včetně sběrnice dat připojeny k řídící jednotce 11, ve které je instalováno softwarové vybavení 12 umožňující sběr naměřených dat, jejich ukládání a vyhodnocování.

Funkce zařízení variantního řešení dle obr. 1 je následující. Nejprve se provede prostřednictvím aretace 10 ustavení snímačů do požadovaných pozic. 2D snímače I vzdálenosti jsou umístěny tak, aby byly zaměřeny na zkoumaný objekt 2. Z hlediska vyhodnocení je výhodné umístit 2D snímače I vzdálenosti takovým způsobem, že profilové roviny 14 jsou navzájem kolmé. V dalším kroku se odečte vzdálenost profilových rovin 14 od počátku ortogonálního souřadného systému x y z pro získání referenční pozice, ke které se vztahují všechny následné výpočty.

Posléze se softwarově nastaví způsob zaznamenávání veličin. Nastavení měřicího hardware (2D snímače I) se provede tak, aby byly měřeny pouze požadované hodnoty, tj. celkem 6 zobecněných souřadnic - poloha měřených bodů 4 a α, β úhly 5 v rámci snímaných profilů 3.

Záznam signálů se provádí během vlastního měření a data jsou zpracovávána pomocí software 12 běžícím na řídící jednotce JT v reálném čase a ukládají se do datového souboru pro další analýzy.

Vyhodnocení změřených dat, tj. získání polohy libovolného bodu zkoumaného objektu 2 se provádí pomocí softwarové aplikace 12.

Další varianta provedení zařízení je znázorněna na obr. 2. V této variantě provedení zařízení je jeden 2D snímač 1 nahrazen dvěma ID snímači 6. Tyto snímače 6 vzdálenosti jsou umístněné na stojanu 8 pro uchycení držáků 8 snímačů. Nastavení polohy a vzdálenosti 2D snímačů I od měřeného objektu 2 je opět realizováno pomocí aretace 10. Při využití jednoho 2D snímače I vzdálenosti, a dvou ID snímačů 6 vzdálenosti snímají tyto snímače všechny tri měřené roviny 14 konstrukčního prvku (měřeného objektu 2).

-3CZ 28316 Ul

Funkce zařízení variantního řešení dle obr. 2 je následující. Nejprve se provede ustavení snímačů do požadovaných pozic. 2D snímač vzdálenosti i a ID 6 vzdáleností jsou umístěny tak, aby byly zaměřeny správně na zkoumaný objekt 2, tzn. ID snímače 6 se umístí kolmo na měřené roviny 14 a 2D snímač 1 vzdálenosti se ustaví analogicky jako u prvního variantního řešení. V dalším kroku se odečte vzdálenost profilové roviny 2D snímače I a vzdálenosti ID snímačů 6 vzdálenosti od počátku ortogonálního souřadného systému x, y, z a to z důvodu získání referenční pozice, ke které se vztahují všechny následné výpočty. Nastavení zaznamenávaných veličin (6 zobecněných souřadnic) se provádí prostřednictvím softwarového vybavení 12. Nastavení měřicího hardware (tj. 2D snímače I vzdálenosti a ID snímačů 6 vzdáleností se provede tak, aby byly měřeny pouze požadované hodnoty, tj. celkem 6 zobecněných souřadnic tj. poloha měřených bodů 4 a α, β úhlů 5 v rámci snímaného profilu 3. Záznam signálů se provádí během vlastního měření a data jsou zpracovávána pomocí software 12 běžícím na řídící jednotce Π. v reálném čase a ukládají se do datového souboru pro další analýzy. Vyhodnocení změřených dat, tj. získání polohy libovolného bodu zkoumaného objektu 2 se provádí pomocí softwarového vybavení 12, které je aplikováno v paměti PC a řízeno pomocí řídící jednotky JJL ·

Další varianta provedení zařízení je znázorněna na obr. 3. Zařízení je v tomto případě doplněno přípravkem 13, který je umístěn na obecné těleso 7. Přípravek pro měření 13 obsahuje měřené plochy-roviny a je použit pro měření v případě, že zkoumaný objekt 2 neobsahuje tři navzájem kolmé roviny. V dalším je postup shodný s výše popsanou funkcí zařízení.

Průmyslová využitelnost

Řešení je možno využít všude tam, kde dochází ke změně polohy nebo orientace zkoumaného objektu v rozmezí rozsahu daných snímačů a to jak při vývoji a výzkumu, tak v různých oblastech strojírenského průmyslu, při vývoji nových řešení či optimalizaci, při technické diagnostice, apod.

Claims (14)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení pro měření a vyhodnocení prostorového pohybu konstrukčních celků s využitím snímačů vzdálenosti, vyznačující se tím, že zahrnuje dvojici 2D snímačů (1) vzdáleností, které jsou v kontaktu s držáky (8) prostřednictvím aretačního zařízení (10) pro fixaci směru a polohy, kde držáky (8) jsou mechanicky spojeny se stojanem (9), přičemž 2D snímače (1) jsou prostřednictvím datových kabelů včetně sběrnice dat připojeny k řídící jednotce (11), ve které je instalováno softwarové vybavení (12).
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že zahrnuje jeden 2D snímač (1) který je v kontaktu s držákem (8) prostřednictvím aretačního zařízení (10) pro fixaci směru a polohy a dvoj ící ID snímačů (6) uspořádaných na stojanu (9), přičemž 2D snímač (1) i dvojice ID snímačů (6) jsou propojeny prostřednictvím datových kabelů včetně sběrnice dat a připojeny k řídící jednotce (11), ve které je instalováno softwarové vybavení (12).
3. 3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že jako 2D snímače (1) vzdáleností a ID snímače vzdáleností jsou použity laserové snímače.
4. 4 výkresy

   - 4 .

   Seznam vztahových značek:

   1 2D snímač vzdáleností

   2 Zkoumaný objekt

   3 Snímaný profil

   4 Měřené body
5. 5 α, β - změny úhlů měřené snímačem
6. 6 ID snímač vzdáleností
7. 7 Obecné těleso bez 3 navzájem kolmých ploch
8. 8 Držák senzorů
9. 9 Rám - Stojan
10. 10 Aretační zařízení pro fixaci směru a polohy
11. 11 Řídící jednotka
12. 12 Softwarové vybavení
13. 13 Přípravek pro měření
14. 14 Měřená rovina.