автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизированная система контроля шероховатости поверхности

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНТРОЛЯ ШЕРОХОВАТОСТИ

ПОВЕРХНОСТИ В МАШИНОСТРОЕНИИ

1.1. Активный контроль в машиностроении

1.2. Анализ методов измерения и пути автоматизации процесса контроля шероховатости поверхности

1.3. Поляризация излучения, отраженного шероховатой поверхностью

1.4. Выводы по первой главе

1.5. Задачи автоматизации контроля шероховатости

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ КОНТРОЛЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ

2.1. Теоретико-вероятностный подход к исследованию шероховатой поверхности

2.2. Взаимодействие электромагнитного излучения с шероховатой поверхностью

2.3. Исследование поляризационных характеристик отраженного излучения

2.4. Разработка функциональной схемы измерителя степени поляризации

2.5. Выводы по второй главе

ГЛАВА 3. СОЗДАНИЕ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА СИСТЕМЫ АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ

3.1. Экспериментальное исследование отраженного от шероховатой поверхности излучения

3.2. Влияние мощности излучения на степень поляризации

3.3. Выбор оптимального угла падения излучения

3.4. Определение оптимальной структуры и состава системы активного контроля

3.5. Разработка математических моделей автоматизированной системы контроля шероховатости поверхности

3.6. Оценка точности измерительного канала системы активного контроля

3.7. Выводы по третьей главе

ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ

4.1. Система автоматизированного контроля шероховатости поверхности

4.2. Диагностика состояния обрабатывающего инструмента

4.3. Управление процессом шлифования на основе текущего значения шероховатости поверхности с учетом наложенных ограничений

4.4. Пути повышения точности измерений

4.5. Выводы по четвертой главе

Актуальность темы. Современное развитие производства предопределяется доминирующим значением автоматизированных производственных систем, обеспечивающих высокое качество выпускаемой продукции. Повышение качественных показателей информационно-измерительных систем является насущной проблемой развития гибких автоматизированных производств. Одной из важных задач в машиностроении является использование контроля не как средства разделения уже готовой продукции на годную и брак, а как средства управления с целью получения требуемых параметров качества, предупреждения и исключения брака, а также для установления оптимальных режимов обработки, обеспечивающих высокую производительность при требуемом качестве обработки. Для этих целей применяют системы активного контроля (САК) [1].

Главной задачей САК можно считать устранение влияния на обрабатываемый параметр различных факторов, действующих систематически и случайным образом: износ режущего инструмента, температурные и силовые деформации и т.п.

Основной областью применения систем активного контроля является финишная абразивная обработка деталей, в первую очередь, шлифование и хонингование. Эта проблема особенно актуальна для шлифовальных операций, формирующих в большинстве случаев выходные показатели качества всего технологического процесса изготовления деталей.

Существующие на сегодняшний день системы активного контроля для шлифовальных станков применяются для контроля линейных размеров обрабатываемой детали. Однако немаловажным в операции шлифования является контроль качества поверхности. Отсутствие подобных систем объясняется сложностью контроля шероховатости поверхности в реальном масштабе времени.

В современном производстве физические свойства и характеристики микрогеометрии шероховатых поверхностей имеют первостепенное значение для качественных показателей изготавливаемой продукции. Шероховатость поверхности является важной эксплуатационной характеристикой, от которой зависят коэффициент трения, износостойкость, коррозионная стойкость и ряд других механических характеристик.

Для измерения параметров шероховатости разработаны различные методы, которые можно разделить на две группы - контактную и бесконтактную.

В настоящее время все чаще применяются оптико-физические методы исследования свойств поверхности. Это объясняется тем, что они являются неконтактными, неразрушающими и легче подаются автоматизации. Развитие эллипсометрического метода измерений характеристик поверхности, сущность которого состоит в исследовании изменения параметров вектора Стокса отраженного излучения, привело к созданию качественно нового подхода к изучению ее свойств.

Основным препятствием для развития оптических методов измерения, в частности эллипсометрического, служит сложность математической обработки ее результатов. Применение вычислительной техники устраняет практически все трудности, связанные с интерпретацией результатов и создает предпосылки для превращения автоматизированных измерительных систем в весьма эффективный инструмент, находящий применение в самых разнообразных исследованиях [2].

Применение лазерных информационно-измерительных комплексов (ЛИИК) для измерения шероховатости поверхности позволит производить автоматизированный контроль качества как в процессе изготовления детали, так и после окончания ее обработки. Это обусловлено широкими возможностями ЛИИК, позволяющих неконтактным способом измерять различные параметры поверхности на основе измерения оптических характеристик отраженного лазерного излучения. Высокая точность измерений обеспечивается спецификой лазерного излучения, такими как монохроматичность, когерентность, малая расходимость, линейная поляризация излучения и т.д.

Целью работы является разработка автоматизированной системы контроля шероховатости поверхности для уменьшения времени обработки и повышения качества обрабатываемых деталей.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

• экспериментальные исследования влияния шероховатости поверхности, угла падения и мощности излучения на поляризационные характеристики отраженного излучения;

• получение математических моделей, устанавливающих взаимосвязь между степенью поляризации отраженного излучения и шероховатостью поверхности;

• разработка способа автоматизированного измерения шероховатости поверхности на основе определения поляризационных характеристик отраженного излучения от исследуемой поверхности непосредственно в ходе технологического процесса обработки детали;

• разработка способа измерения степени поляризации электромагнитного излучения системой трех неподвижных фотоприемников, позволяющего производить измерения в реальном масштабе времени;

• создание технического решения системы активного контроля для измерения шероховатости поверхности в процессе обработки деталей;

• разработка способа управления шлифованием на основе измерения текущей шероховатости обрабатываемой детали и расчета оптимальных режимов обработки в реальном масштабе времени.

Содержание работы по главам. Во введении обосновывается актуальность разработки и исследования систем активного контроля.

В первой главе приведен патентно-информационный обзор по системам активного контроля и способам измерения шероховатости.

На основании проведенных исследований и информационного обзора определены основные решаемые задачи.

Во второй главе приводятся результаты теоретических исследований шероховатости поверхности с применением эллипсометрического метода. Показано, что параметры вектора Стокса, отраженного от изучаемой поверхности излучения, несут информацию об её шероховатости.

Для исключения влияния вращения поляризационного эллипса излучения на точность и быстродействие разрабатывается новый способ измерения его параметров и устройство для его осуществления.

В третьей главе исследуется отраженное от поверхности излучение и разрабатывается система активного контроля шероховатости поверхности.

Показано, что отраженный пучок является поляризованным. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований в качестве информативного параметра, измеряемого в реальном масштабе времени, принята степень поляризации отраженного от поверхности излучения, связанная с её шероховатостью. Проводятся экспериментальные исследования зависимости степени поляризации излучения от угла падения и мощности источника излучения. На основании проведенных исследований разрабатывается опытный образец системы активного контроля. Исследуется зависимость между степенью поляризации отраженного излучения и высотой микронеровностей для образцов шероховатости с плоской и цилиндрической поверхностями по ГОСТ 9378-75, обработанных шлифованием. На основе экспериментальных исследований строятся математические модели, устанавливающие взаимосвязь степени поляризации отраженного пучка и шероховатости поверхности.

В четвертой главе рассматриваются области применения автоматизированной системы контроля качества поверхности. Основной областью применения можно назвать послеоперационный контроль качества поверхности, измерение шероховатости во время обработки детали с целью получения оптимальных режимов шлифования и диагностику состояния инструмента.

Разрабатывается способ управления процессом шлифования на основе измерения текущей шероховатости обрабатываемой поверхности и расчета оптимальных режимов резания на основе минимизации времени обработки при наложении ограничений, предъявляемых к качеству поверхности.

Для повышения точности измерительного канала предлагается способ редукции измерительного сигнала к виду, учитывающему систематические погрешности измерения.

Методы исследования. В работе использованы основные положения элементарной геометрии и теории матриц, методы статистического анализа для обработки экспериментальных данных, теоретические основы оптико-физических исследований, методы редукции измерений и планирования эксперимента.

Научная новизна положений, выносимых на защиту:

• новые математические модели, устанавливающие взаимосвязь между степенью поляризации отраженного излучения и высотой микронеровностей обрабатываемой поверхности, позволяющие автоматизировать управление процессом шлифования деталей;

• способ измерения степени поляризации электромагнитных волн системой трех неподвижных фотоприемников по патенту №2193168, позволяющий проведение измерений шероховатости поверхности в реальном масштабе времени;

• способ управления режимами шлифования на основе измерения шероховатости обрабатываемой детали и реализующая его автоматизированная система контроля шероховатости поверхности, работающая в режиме реального времени и обеспечивающая оптимальные режимы обработки.

Практическая ценность работы:

• исследованы поляризационные характеристики отраженного от шероховатой поверхности излучения. Определены зависимости степени поляризации отраженного излучения от микрогеометрии шероховатой поверхности, угла падения и мощности излучения;

• разработан измеритель степени поляризации электромагнитного излучения;

• разработан и испытан опытный образец системы активного контроля шероховатости, показана перспективность использования автоматизированной системы контроля шероховатости поверхности;

• создано программное обеспечение, реализующее расчет оптимальных режимов шлифования на основе текущей шероховатости поверхности с учетом наложенных ограничений;

• предложен способ повышения точности измерений путем компенсации систематических погрешностей измерительного канала программным способом.

Реализация результатов. На основе проведенных в работе исследований разработана система активного контроля шероховатости, реализованная в экспериментальной установке для измерения шероховатости. Установка испытана в Департаменте главного метролога ОАО «Камский автомобильный завод», результаты испытаний положительные.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международной научно-технической конференции «Технико-экономические проблемы промышленного производства» (Набережные Челны, 2000), международной молодежной научной конференции «Молодежь - науке будущего» (Набережные Челны, 2000), международной научно-практической конференции «Наука и практика. Диалоги нового века» (Набережные Челны, 2003), на заседании кафедры «Автоматизация и информационные технологии» Камского государственного политехнического института, в результате выполнения работы предложено новое решение, подтвержденное патентом №2193168.

Основные результаты работы опубликованы в 10 научных работах.

Перспективы развития. Полученные в работе результаты могут найти применение при создании автоматизированной системы контроля качества обрабатываемых поверхностей, что в значительной степени увеличивает экономическую эффективность шлифовальных операций за счет уменьшения времени обработки, увеличения периода стойкости абразивного инструмента и повышения качества обрабатываемых поверхностей.

121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Активный контроль размеров / С.С. Волосов, M.JI. Шлейфер, В.Я. Румкин и др.; Под ред. С.С. Волосова. -М.Машиностроение, 1984.

2. Зиятдинов P.P., Сабиров И.С., Ахметшин А.И. Применение оптико-физических методов исследования // Молодежь науке будущего: Тезисы докладов Международной молодежной научной конференции. Набережные Челны: Изд-во Камского политехи, ин-та, 2000. С.17.

3. Диагностика и управление процессом шлифования по амплитуде звукового давления / JI.B. Худобин, В.Ф.Гурьянихин, В.С.Юганов Вестник машиностроения, 2000, №11.

4. Сорочкин Б.М. Автоматизация измерений и контроля размеров деталей. -Д.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1990.

5. Активный контроль в машиностроении: Справочник/ Под ред. Е.И. Педя. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1978.

6. Лазерные приборы вибрационного контроля и точного позиционирования / Ю.Ф. Застрогин, О.Ю. Застрогин, А.З. Кулебякин. М.: Машиностроение, 1995.

7. Топорец А.С. Оптика шероховатой поверхности. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1988.

8. А.с. 238798 приоритет от 18.12.67. Визуальный способ оценки шероховатости / Н.Н. Марков, Г.Б.Кайнер.

9. Дунин-Барковский И.В., Карташева А.Н. Измерение и анализ шероховатости, волнистости и некруглости поверхности. М.: Машиностроение, 1978.

10. Ю.Кучин А.А., Обрадович К.А. Оптические приборы для измерения шероховатости поверхности. Л.: Машиностроение, 1981.

11. Аззам Р., Башара Н. Эллипсометрия и поляризованный свет. М.: Мир, 1981.

12. Р.Фейнман, Р.Лейтон, М.Сэндс Фейнмановские лекции по физике: Пер. с англ. М.: Мир, 1976.

13. А.С. 1352201 приоритет от 26.04.83. Способ бесконтактного контроля качества обработки поверхности оптических деталей и устройство его осуществления / П.И. Дрозд, Л.В. Поперенко, И.А. Шайкевич.

14. А.С. 1366878 приоритет от 31.03.86. Эллипсометрический способ контроля качества полирования деталей / В.П.Маслов, Т.С. Мельник, В.А. Одарич.

15. Патент РФ № 2011163 от 19.03.92. Устройство для контроля шероховатости поверхности изделия. / Менделеев В.А., Сковородько С.Н.

16. А.С. 1330463 приоритет от 03.04.86. Бесконтактный оптический способ определения высоты шероховатости поверхности / Ю.Г.Шкуратов, Л.Я.Мелкумова.

17. А.с. 1647242 приоритет от 10.10.88. Бесконтактный оптический способ определения среднеквадратичной высоты шероховатости поверхности / А.А. Бузников, Г.А. Лахтанов.

18. А.с. 1481594 приоритет от 26.10.87. Способ определения параметров анизотропной поверхности / Д.И. Биленко. В.П. Полянская, М.В. Иванов.

19. А.с. 381885 приоритет от 10.05.71. Фотоэлектрическое устройство для измерения шероховатости металлической поверхности / А.В.Башарин, В.А. Солнцев, А.С.Потемкин, В.А.Богородский, Е.Е. Смирнова.

20. А.С. 508670 приоритет от 29.09.72. Способ определения чистоты обработки поверхности / В.В. Яковлев, С.Е. Ярцева.

21. А.с. 396546 приоритет от 17.11.71. Способ измерения шероховатости поверхности изделия / И.Г. Фаерштейн, В.О. Шевченко.

22. А.с. 1357705 приоритет от 18.03.86. Устройство для контроля шероховатости отражающих поверхностей изделия / И.Н. Антонов, В.Н. Дегтярев, Ю.Р. Владов.

23. А.с. 1350492 приоритет от 23.05.86. Способ определения шероховатости боковых поверхностей изделия / И.Н. Антонов, В.Н. Дегтярев, Ю.Р. Владов, Р.Т. Абдрашитов.

24. А.С. 1302141 приоритет от 10.04.85. Способ измерения высоты микронеровностей шероховатой поверхности и устройство его осуществления / О.В.Ангельский, П.П.Максимяк.

25. А.С. 1670394 приоритет от 20.03.89. Рефлектометр для измерения поляризационных параметров поверхности объекта / П.И. Дрозд, JI.B. Поперенко, И.А.Шакевич.

26. А.С. 1744458 приоритет от 24.10.89. Способ измерения рельефа объектов с шероховатой поверхностью / А.Г. Ушенко, С.Б.Ермоленко, М.А.Недужко.

27. А.С. 1790739 приоритет от 03.05.90. Способ измерения шероховатости поверхности изделия / В.В.Сысоев.

28. А.С. 1562696 приоритет от 29.07.88. Способ определения распределения крутизны микронеровностей шероховатых поверхностей / М.Т. Стринад-ко, А.Г. Ушенко.

29. А.С. 1456778 приоритет от 11.06.87. Способ измерения функции распределения углов наклона микронеровностей шероховатой поверхности / А.Г. Ушенко, С.Б. Ермоленко.

30. А.с. 1645811 приоритет от 11.04.89. Способ определения распределения крутизны микронеровностей шероховатых поверхностей / А.Г. Ушенко, М.Т. Стринадко, М.А.Недужко.

31. А.С. 1567882 приоритет от 29.07.88. Способ определения функции распределения высот и углов наклона шероховатой поверхности / А.Г.Ушенко, С.Б. Ермоленко.

32. А.С. 16350000 приоритет от 09.03.89. Способ определения функции распределения углов наклона микронеровностей шероховатой поверхности / А.Г.Ушенко, С.Б. Ермоленко.

33. А.с. 1744457 приоритет от 17.10.89. Способ определения распределения крутизны микронеровностей шероховатой поверхности / А.Г.Ушенко, М.Т. Стринадко, С.Б.Ермоленко.

34. А.С. 1582005 приоритет от 29.07.88. Способ определения распределения крутизны неровностей плоского шероховатого объекта / А.Г. Ушенко, С.Б. Ермоленко.

35. А.С. 1460601 приоритет от 12.03.86. Устройство для контроля качества поверхности / И.В.Порубов, В.В.Порубов.

36. А.с. 1536199 приоритет от 30.05.88. Эллипсометрический способ контроля качества полирования образца / В.М.Маслов, Т.С. Мельник.

37. А.С. 1469346 приоритет от 12.08.87. Устройство для измерения шероховатости поверхности / С.Т.Коваль, Т.В. Левченко.

38. А.С. 945652 приоритет от 09.06.80. Способ измерения шероховатости / Н.Т. Квасов, А.К.Полонин, Р.А.Беляев, В.Е.Карпов, А.С. Немченок.

39. Хусу А.П., Витенберг Ю.Р., Пальмов В.А. Шероховатость поверхностей, теоретико-вероятностный подход. М.: Наука, 1975.

40. Ахманов С.А., Дьяков Ю.Е., Чиркин А.С. Введение в статистическую радиофизику и оптику. М.: Главная редакция физико-математической литературы, 1981.

41. Изменение поляризационных характеристик света при отражении от границы раздела двух изотропных сред / А.И.Пеньковский. Оптико-механическая промышленность, 1986, №5.

42. Радиоволновая эллипсометрия /В.А. Конев, Е.М. Кулешов, Н.Н. Пунько. Под ред. И.С. Ковалева Минск: Наука и техника, 1985.

43. Громов В.К. Введение в эллипсометрию: учебн.пособие /М-во высш. и сред, образования РСФСР. JL: Изд-во ЛГУ, 1986.

44. Патент № 2193168, Россия, МКИ G01J 4/00. Способ измерения степени поляризации / Зиятдинов P.P., Звездин В.В., Гумеров А.Ф., Сабиров И.С. Заявка №2000118517/28.

45. Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы: Пер. с англ. М.: Мир, 1988.

46. Измерения в промышленности. Справ, изд. Под ред. П.Профоса. Пер. с нем. М., Металлургия, 1980.

47. Гутуров М.М. Основы светотехники и источники света: Учеб. пособие для вузов. 2-е изд., доп. и перераб. -М.: Энергоатомиздат, 1983.

48. Сретенский В.Н. Метрологическое обеспечение производства приборов микроэлектроники. М.: Радио и связь, 1988.

49. Дворяшин Б.В., Кузнецов Л.И. Радиотехнические измерения. Учебное пособие для вузов. М., Сов. радио, 1978.

50. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений: Справочное пособие / В.Г. Домрачев, В.Р. Матвеевский, Ю.С.Смирнов. М.: Энергоатомиздат, 1987.

51. Фотоприемники видимого и РЖ диапазонов / Р.Дж. Киес, П.В. Крузе, Э.Г. Патли и др. Под ред. Р.Дж.Киеса; пер. с англ. М.: Радио и связь, 1985.

52. Кайдалов С.А. Фоточувствительные приборы и их применение: Справочник. М.: Радио и связь, 1995.

53. Автоматизация измерений и контроля электрических и не электрических величин: Учеб. пособие для вузов / Н.Д. Дубовой, В.И. Осокин, В.Н. По-ротов, А.Д. Толчинский; под ред. д-ра техн. наук А.А. Сазонова. М.: Изд-во стандартов, 1987.

54. Викулин И.М., Стафеев В.И. Полупроводниковые датчики. М., Сов. радио, 1975.

55. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. -2-е изд., перераб. и доп. JT.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1988.

56. Гальперин М.В. Практическая схемотехника в промышленной автоматике. -М.: Энергоатомиздат, 1987.

57. Станки с числовым программным управлением (специализированные) /В.А. Лещенко, Н.А. Богданов, И.В. Вайнштейн и др.; Под общ. ред. В.А. Лещенко. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1988. - 568с.

58. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ: В 2-х кн. Кн.1/пер. с англ. 2-е изд., перераб. и допол. - М.: Финансы и статистика, 1986.

59. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1991.

60. Абразивная и алмазная обработка материалов: Справочник / Под ред. д-ра техн. наук проф. А.Н. Резникова. М.: Машиностроение, 1977.

61. Технология обработки абразивным и алмазным инструментом: Учебник для машиностроит. техникумов/ З.И. Кремень, Г.И. Бутроин, В.М. Коло-мазин и др.; Под общ.ред. З.И. Кремня. JL: Машиностроение, Ленингр. отд-ние,1989.

62. Влияние условий резания при развертывании отверстий на шероховатость поверхности вязких сталей / Ю.П. Холмогорцев Вестник машиностроения, 2001, №3.

63. Влияние параметров шлифования на оптимальную концентрацию алмазов в кругах на органических связках/ А.В. Попов Вестник машиностроения, 1999, №12.

64. Исследование процессов финишной алмазной обработки корундовых керамических материалов/ Г.А. Смирнов, В.П. Бахарев, М.Ю.Куликов, Т.П.Антюфеева Вестник машиностроения, 2001, №9.

65. Шероховатость поверхности при плоском шлифовании деталей из порошковых материалов/ В.А.Абасов, С.Г.Бабаев, А.И. Оналла Вестник машиностроения, 1999, №10.

66. Гейлер З.Ш. Самонастраивающиеся системы активного контроля. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1978.

67. Вальков В.М., Вершин В.Е. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Л.: Машиностроение, 1973.

68. Иберла К. Факторный анализ / Пер. с нем. В.М. Ивановой; Предисл. A.M. Дуброва. -М.: Статистика, 1980.

69. Пытьев Ю.П. Математические методы интерпретации эксперимента: Учеб. Пособие для вузов. М.: Высш. шк., 1989.

70. Лурье О.Б. Интегральные микросхемы в усилительных устройствах. Анализ и расчет. М.: Радио и связь, 1988.

71. Волгин Л.И. Аналоговые операционные преобразователи для измерительных приборов и систем. -М.: Энергоатомиздат,1983.

72. Зависимость профиля шероховатой поверхности от вида обработки при Ra = const.1. Выхаживание

73. Шлифование ^/Vfyw^^ Полирование1. Притирка1. Хонингование

74. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ РАЗРАБОТАННОЙ СИСТЕМЫ АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ1. RE1. DAI5VA1. VDEж