Анализ характеристик средств измерения при выборе принципа измерения и способа преобразования сигнала измерительной информации на этапе проектирования механо-электронных измерительных систем должен носить комплексный характер и учитывать целый ряд факторов, таких как

– условия эксплуатации;

– степень воздействия внешних факторов;

– производительность контрольных операций;

– уровень автоматизации процесса измерения;

– диапазон измерения преобразователей и т.д.

Обобщенная схема классификации автоматизированных измерительных систем (АИС) (рисунок 2.1) рассматривает взаимосвязи различных классификационных групп автоматических средств измерения, первичных измерительных преобразователей и технологического оборудования, для совместной работы с которым проектируется средство измерения.

Классификатор учитывает следующие классификационные признаки.

1. Степень воздействия АИС на технологический процесс обработки деталей. По этому признаку АИС делятся на четыре основных вида:

– средства операционного активного контроля (ПАК), осуществляющие измерение размеров деталей в процессе обработки и формирующие управляющие команды в схему станка;

– подналадочные устройства (ПУ), контролирующие размер деталей после обработки и формирующие команду на подналадку режущего инструмента;

– средства послеоперационного контроля, к которым относятся контрольно-сортировочные автоматы (КСА), координатные измерительные машины и измерительные работы;

– измерительные системы перемещения исполнительных органов измерительных машин (ИМ), роботов (ИР) и станков с программным управлением.

2. Область применения АИС.

Данная классификационная группа рассматривает два основных вида АИС:

– универсальные, которыми могут оснащаться различные типы, модели металлообрабатывающих станков или использоваться для измерения геометрических параметров широкой номенклатуры деталей;

– специализированные, предназначенные для измерения определенного типа деталей и используемые, как правило, в условиях крупносерийного и массового производства.

Уровень автоматизации технологического оборудования.

АИС используются на финишных технологических операциях обработки, обеспечивающих высокую точность размеров и формы деталей, которые выполняются на кругло и плоскошлифовальных, резьбошлифовальных, хонинговальных, торцешлифовальных станках. С точки зрения автоматизации оборудование можно разделить на две группы:

– универсальные обрабатывающие станки с ручным управлением;

– станки с программным управлением, которые оснащаются не только АИС контроля размера, но и АИС перемещения их узлов и механизмов.

4. Первичные измерительные преобразователи.

Первичные измерительные преобразователи АИС классифицируются в представленной схеме (рисунок 2.1) по трем признакам:

– принцип измерения;

– диапазон измерения;

– вид выходного сигнала.

По признаку «диапазон измерения» преобразователи делятся на узкодиапазонные и широкопредельные. Преобразователи с узким диапазоном измерения обычно используется в приборах активного контроля для универсальных или специализированных обрабатывающих станков и в контрольно-сортировочных автоматах [4, 5, 6, 7, 8]. Широкопредельные преобразователи применяются для измерения перемещений узлов измерительных машин, роботов и станков с программным управлением. Кроме того, они могут использоваться для измерения размеров деталей, обрабатываемых на станках с программным управлением.

Принцип измерения, реализуемый схемой преобразователя, определяет такие его важные характеристики, как диапазон измерения, точность измерения, вид выходного сигнала, а следовательно, и способ его обработки.

Усложнение современного производства, развитие научных исследований привело к необходимости измерять и контролировать одновременно сотни и тысячи различных физических величин. Естественная физиологическая ограниченность возможностей человека в восприятии и обработке больших объемов информации стала одной из причин появления таких СИ, как измерительные системы. Измерительные системы — это совокупность функционально объединенных средств измерений, средств вычислительной техники и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации о физических величинах, свойственных данному объекту, в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления. Примерами могут служить системы, развернутые на крупных предприятиях и предназначенные для контроля технологического процесса производства какого-либо изделия, например производства стали, электроэнергии и т.п.

В зависимости от назначения измерительные системы разделяют на измерительные, контролирующие, управляющие. По числу измерительных каналов системы подразделяются на одно-, двух-, трех- и многоканальные.

Важной их разновидностью являются информационно-измерительные системы (ИИС), предназначенные для представления измерительной информации в виде, необходимом потребителю. По организации алгоритма функционирования различают системы:

• с заранее заданным алгоритмом работы, правила функционирования которых не меняются, поэтому они могут использоваться только для исследования объектов, работающих в постоянном режиме;

• программируемые, алгоритм работы которых меняется по заданной программе, составляемой в соответствии с условиями функционирования объекта исследования;

• адаптивные, алгоритм работы которых, а в ряде случаев и структура, изменяются, приспосабливаясь к изменениям измеряемых величин и условий работы объекта.

Наиболее перспективным методом разработки и производства ИИС является метод агрегатно-модульного построения из сравнительно ограниченного набора унифицированных, конструктивно законченных узлов или блоков. При построении агрегатированных систем должны быть решены задачи совместимости и сопряжения блоков как между собой, так и с внешними устройствами. Применительно к ИИС существует пять видов совместимости:

• информационная, которая предусматривает согласованность входных и выходных сигналов по видам и номенклатуре, информативным параметрам и уровням;

• конструктивная, обеспечиваемая согласованностью эстетических требований, конструктивных параметров, механических сопряжений блоков при их совместном использовании;

• энергетическая, предполагающая согласованность напряжений и токов, питающих блоки;

• метрологическая, обеспечивающая сопоставимость результатов измерений, рациональный выбор и нормирование метрологических характеристик блоков, а также согласование параметров входных и выходных цепей;

• эксплуатационная, т.е. согласованность характеристик блоков по надежности и стабильности, а также характеристик, определяющих влияние внешних факторов.

Связь между блоками системы и их совместимость устанавливается посредством стандартных интерфейсов. Под интерфейсом понимается совокупность механических, электрических и программных средств, позволяющих объединять блоки в единую систему.

Структура ИИС довольно разнообразна и существенно зависит от решаемых задач.

Важной разновидностью ИИС является измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) — функционально объединенная совокупность средств измерений, компьютеров и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения конкретной измерительной задачи. Основными признаками принадлежности средства измерений к ИВК являются: наличие процессора или компьютера; программное управление средствами измерений; наличие нормированных метрологических характеристик; блочно-модульная структура, состоящая из технической (аппаратной) и программной (алгоритмической) подсистем.

Техническая подсистема должна содержать СИ электрических величин (измерительные компоненты), средства вычислительной техники (вычислительные компоненты), меры текущего времени и интервалов времени, средства ввода-вывода цифровых и аналоговых сигналов с нормированными метрологическими характеристиками.

В программную подсистему ИВК входят системное и общее прикладное программное обеспечение (ПО), в совокупности образующие математическое обеспечение ИВК. Системное ПО представляет собой совокупность программного обеспечения компьютера, используемого в ИВК, и дополнительных программных средств, позволяющих работать в диалоговом режиме; управлять измерительными компонентами; обмениваться информацией внутри подсистем комплекса; проводить диагностику технического состояния. Программное обеспечение представляет собой взаимодополняющую, взаимодействующую совокупность подпрограмм, реализующих:

• типовые алгоритмы эффективного представления и обработки измерительной информации, планирования эксперимента и других измерительных процедур;

• архивирование данных измерений;

• метрологические функции ИВК (аттестация, поверка, экспериментальное определение метрологических характеристик и т.п.).

Большое значение имеет эффективное и наглядное построение экранных форм и управляющих элементов, называемых интерфей сом пользователя, обеспечивающих взаимодействие оператора с компьютером. Эффективность интерфейса заключается в быстром, насколько это возможно, развитии у пользователей простой концептуальной модели взаимодействия с комплексом. Другими важными характеристиками интерфейса являются его конкретность и наглядность, что обеспечивается с помощью последовательно раскрываемых окон, раскрывающихся вложенных меню и командных строк с указанием функциональных, "горячих" клавиш.

Измерительно-вычислительные комплексы предназначены для выполнения таких функций, как:

• осуществление прямых, косвенных, совместных или совокупных измерений физических величин;

• управление процессом измерений и воздействием на объект измерений;

• представление оператору результатов измерений в требуемом виде.

Для реализации этих функций ИВК должен обеспечивать:

• восприятие, преобразование и обработку электрических сигналов от первичных измерительных преобразователей;

• управление средствами измерений и другими техническими компонентами, входящими в состав ИВК;

• выработку нормированных сигналов, являющихся входными для средств воздействия на объект;

• оценку метрологических характеристик и представление результатов измерений в установленной форме.

По назначению ИВК делятся на типовые, проблемные и специализированные. Типовые комплексы предназначены для решения широкого круга типовых задач автоматизации измерений, испытаний или исследований независимо от области применения. Проблемные комплексы разрабатываются для решения специфичной для конкретной области применения задачи автоматизации измерений. Специализированные ИВК предназначены для решения уникальных задач автоматизации измерений, для которых разработка типовых и специализированных комплексов экономически нецелесообразна.

Основными составными частями комплекса являются (рис. 11.19):

• компьютер с периферийными устройствами, подключенными к нему, в том числе и посредством компьютерной сети;

• програмное обеспечение, представляющее собой совокупность взаимосвязанных программ, написанных на алгоритмических языках разного уровня;

• интерфейс, организующий связь технических устройств ИВК с компьютером;

• формирователь испытательных сигналов, которыми воздействуют на объект измерения с целью получения измерительных сигналов. Каждый такой сигнал (например, на рис. 11.19 это i-й сигнал) вырабатывается с помощью последовательно соединенных ЦАП. и преобразователя "напряжение — испытательный сигнал" (ПНИС_;);

• измерительные каналы (ИК), предназначенные для преобразования в цифровой код заданного числа сигналов (К — для первого ИК и L — для N-ro ИК). Структура ИК существенно зависит от решаемой задачи. Однако практически в любом случае каждый из них содержит аналоговый измерительный (АИП) и аналого-цифровой (АЦП) преобразователи. При обработке нескольких измерительных сигналов одним АЦП в состав комплекса включается коммутатор, предназначенный для поочередного подключения сигналов к входу АЦП. Коммутатор может включаться как после АИП (ИК1 на рис. 11.19), так и перед ним (ИК N на рис. 11.19).

АИП предназначен для преобразования измерительного сигнала в сигнал, однородный с входным сигналом АЦП (т.е. в напряжение), и масштабирования (усиления или ослабления) его до уровня, необходимого для проведения операции аналого-цифрового преобразования с минимальной погрешностью.