автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизированный контроль качества изготовления детали при токарной обработке на основе гидроструйно-акустических методов измерения

11-5

1439

На правах рукописи

ЗАХАРЧЕНКО Михаил Юрьевич

№

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ОСНОВЕ ГИДРОСТРУЙНО-АКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ

Специальности: 05.13.06 - Автоматизация технологических процессов

и производств (в машиностроении),

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной

техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2011

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Бржозовский Борис Максович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Митяшин Никита Петрович

Защита состоится «16» ноября 2011 г. В 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.02 Саратовского государственного технического университета по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, корп.1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета.

Автореферат разослан «13» октября 2011 г.

Автореферат размещен на сайте: sstu@sstu.ru «13» октября 2011 г.

кандидат технических наук Сигитов Евгений Александрович

Ведущая организация - Институт проблем точной механики

и управления РАН, г. Саратов

Ученый секретарь диссертационного совета

А. А. Игнатьев

ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА 2011

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В космической, авиационной, энергетической и транспортной технике используются машины и устройства, которые должны обеспечивать гарантированную надежность работы в течение всего срока эксплуатации. Эта проблема решается за счет преимущественного использования деталей из материалов специального назначения. Но данным материалам свойственен ряд специфических факторов, например: повышенная способность к упрочнению, низкая теплопроводность, высокая химическая активность и сродство с материалом инструмента, склонность к образованию неоднородностей в виде трещин, расслоений, пустот, локальных уплотнений, наличие производственно-технологических дефектов и пр. Эти факторы затрудняют высококачественную механическую обработку деталей. При этом трудно достигаются геометрическая точность и низкая шероховатость обрабатываемой поверхности. Также трудно в процессе обработки сохранить соответствие физико-механических свойств материала заготовки жестким условиям эксплуатации детали.

Решение задачи производства высоконадежных деталей требует совершенствования технологических методов их изготовления с использованием автоматизированного контроля параметров качества материала в течение всего цикла обработки. Эта научно-техническая задача эффективно решается только на основе применения автоматизированных систем адаптивного управления технологическим процессом обработки (САдУ ТПО) на станках с ЧПУ, оснащенных автоматизированными системами бесконтактного контроля (АСБК) качества изготовления деталей.

В современных САдУ ТПО на станках с ЧПУ используются узкоспециализированные АСБК размеров и вибрации заготовки на основе оптических, индукционных, емкостных и вихретоковых датчиков, которые обеспечивают точность измерения до одного мкм. Но их применение ограничивается контролем качества изготовления деталей только простой формы и из определенных материалов.

К автоматизированным системам неразрушаюшего контроля одновременно размеров и структуры материала относятся ультразвуковые (УЗ) дефектоскопы и толщиномеры. Но при проведении измерений их УЗ источник и приемник устанавливают на поверхности детали, а звукопроводящую среду в виде жидкости пропускают через щель между ними (порядка длины звуковой волны Л) или используют контактный слой в виде пленки масла. В силу этого обеспечить контроль требуемых технологических параметров с хорошим качеством в процессе механической обработки технически сложно, а чаше невозможно.

В настоящее время УЗ устройства используются только в узкоспециализированных АСБК, например для контроля процесса проката труб, прутков, лент из металла и пластмассы. Данные АСБК обеспечивают небольшую точность, и их технически сложно использовать на станках с ЧПУ.

Таким образом, разработка АСБК качества механической обработки детали сложной формы из различных материалов на станках с ЧПУ является актуальной научно-технической задачей.

Целью исследований является разработка автоматизированной системы контроля качества изготовления деталей при механической обработке, включающей дефектоскопию, измерение размеров и анализ параметров вибрации, на основе акустических методов измерения с применением струи жидкости.

Для достижения данной цели решались следующие задачи:

1. Обоснование принципов построения автоматизированной системы контроля материала, размеров и вибрации (АСБК-МРВ) при механической обработке на основе струйного акустического, чувствительного элемента (САЧЭ).

2. Разработка гидродинамической модели САЧЭ для оптимизации геометрии его гидравлического канала.

3. Разработка акустической модели САЧЭ, обеспечивающей оптимизацию процесса передачи информационных сигналов о размерах, вибрации и дефектах.

4. Теоретическое к экспериментальное моделирование процесса контроля дефектов и размеров детали с применением макета САЧЭ.

5. Разработка структурной схемы САдУ ТПО на основе АСБК-МРВ и САЧЭ применительно к токарным станкам.

6. Экспериментальная проверка УЗ методов контроля размеров и вибрации при механической обработке с применением макетов АСБК-М и САЧЭ.

Методы и средства исследований. Теоретические исследования выполнялись с применением теории автоматического управления станками, теории передачи информационных сигналов, теории гидродинамических процессов и теории анализа процессов распространения звуковых волн в твердой и жидкой средах. Экспериментальные исследования параметров физических моделей АСБК-МРВ и САЧЭ проводились на разработанных стендах с использованием известных методов анализа акустических процессов и теории планирования эксперимента. Численное моделирование проводилось с помощью программных продуктов «Math-ematic-v.5.0», «MatLab-v.6.0», «Spectra-Lab».

Научная новизна работы:

1. Обоснована и разработана АСБК-МРВ на САЧЭ, позволяющая повысить качество контроля технологического процесса механической обработки деталей из различных материалов на станках с ЧПУ.

2. Разработана модель гидродинамических процессов в симметричном, плоскопараллельном потоке идеальной жидкости с криволинейными границами, применимая для оценки оптимальной геометрии гидроканалов в САЧЭ для АСБК-МРВ.

3. Разработана модель прохождения низкочастотных и высокочастотных звуковых волн в симметричном плоскопараллельном потоке идеальной жидкости с криволинейными «жесткими» и «мягкими» границами, применимая для оптимизации процесса передачи информационных сигналов в САЧЭ для АСБК-МРВ.

4. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден принцип автоматизированного контроля размеров, вибрации, дефектов материала заготовки апробированными акустическими методами измерения с применением струи жидкости.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Разработанные принципы построения АСБК-МРВ на основе САЧЭ применимы при токарной обработке для измерения размеров с точностью 1-5 мкм, для фиксирования дефектов с поперечным размером до 0,01 мм" при определении местоположения с точностью 5-25 мкм и для регистрации вибрационных колебаний амплитудой 1-20 мкм в полосе 0,1-25000 Гц.

2. Разработана базовая конструкция САЧЭ для АСБК-МРВ, защищенная патентом.

3. Разработанный метод и программы моделирования гидродинамических процессов в криволинейном потоке жидкости применимы для расчета и оптимизации геометрии гидравлических каналов в других типах струйных чувствительных элементов для цепей обратной связи АСБК.

4. Разработанные методы и программы моделирования распространения низкочастотных и высокочастотных звуковых волн в жидкой и твердой среде применимы для расчета параметров в других типах струйных акустических чувствительных элементов для цепей обратной связи АСБК.

5. Разработанная АСБК применима в различных типах станков с ЧПУ.

Внедрение результатов. Результаты работы используются в НИОКР «Автоматизация технологических процессов с применением бесконтактных, высокоточных измерительных устройств для контроля физико-технических и геометрических параметров поверхности детали при механической обработке» (ГК № 7379р/10164 от 28.12. 2009 г.). Ряд результатов используются в НИР «Обеспечение качества прецизионной обработки на основе оперативного мониторинга и

оптимальной настройки сложного технологического оборудования в автоматизированном производстве» по Гранту Президента РФ для государственной поддержки молодых российских учёных МД-7455.2010.8. Получены соответствующие акты использования результатов диссертации.

Апробация результатов исследования. Основные результаты диссертации докладывались на международных научно-технических конференциях: «Математические методы в технике и технологиях», ММТТ-21 (Саратов, 2008), ММТТ-22 (Псков, 2009), ММТТ-23 (Саратов, 2010), и на российских научно-технических конференциях: III и IV конференциях молодых учёных РФ «Наноэлектроника, на-нофотоника, и нелинейная физика» (СФ ИРЭ РАН, Саратов, 2008, 2009), Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности механообработки на основе моделирования физических явлений» (Рыбинск, 2009); Всероссийской научно-практической конференции молодых учёных «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009, 2010), а также на научных семинарах кафедры КиМО СГТУ.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 30 работах, в том числе 4 статьи в журналах из списка ВАК РФ и один патент РФ.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Разработанные принципы построения АСБК-МРВ на основе САЧЭ, позволяющие повысить качество контроля технологического процесса механической обработки деталей из различных материалов.

2. Модель гидродинамических процессов в симметричном, плоскопараллельном потоке идеальной жидкости с криволинейными границами применима для оценки оптимальной геометрии гидроканалов в САЧЭ для АСБК-МРВ.

3. Модель прохождения низкочастотных и высокочастотных звуковых волн в симметричном плоскопараллельном потоке идеальной жидкости с криволинейными «жесткими» и «мягкими» границами применима для оптимизации процесса передачи информационных сигналов в САЧЭ для АСБК-МРВ.

4. Разработанная функциональная схема и модель АСБК-МРВ, применимая к токарным станкам.

5. Практическая реализация схемы АСБК-МРВ на токарном станке.

Структура работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Изложена на 131 странице, содержит 48 рисунков, 4 приложения, список литературы включает 82 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, определены научная новизна и практическая значимость результатов работы, приведены положения, выносимые на защиту.

Первая глава. Проведен анализ физико-механических свойств материалов специального назначения: легированных сталей, тугоплавких металлов и их сплавов, алюминиевых и титановых сплавов, керамик, пластмасс, композитных и многослойных материалов и пр., из которого следует, что при обработке заготовок из этих материалов трудно достигаются высокая геометрическая точность и низкая шероховатость поверхности, а также могут закладываться различные типы производственно-технологических дефектов. В этой связи был сделан вывод о необходимости создания автоматизированной системы бесконтактного контроля дефектов, размеров и параметров вибрации в процессе обработки на станках.

Анализ литературы с результатами теоретических и экспериментальных исследований в области разработки автоматических систем управления технологическим процессом обработки на станках, полученными в научных школах под руководством Балакшина Б. С., Бржозовского Б. М., Васина С. А., Вейца В. Л., Заково-ротного В. Л., Зорева Н. Н., Кабалдина Ю. Г., Кудинова В. А., Пуша А. В., Соло-

менцева Ю. М., показал, что качественное изготовление деталей сложной формы из трудных в обработке материалов можно реализовать при использовании САдУ ТПО, оснащенных АСБК-МРВ. Изучение патентов и технической документации современных бесконтактных измерительных устройств показало, что в цепях обратной связи данных АСБК-МРВ должны использоваться чувствительные элементы, у которых физико-технические возможности и рабочие параметры основаны на акустических методах измерения с применением струи жидкости в качестве звукопроводящей среды.

На основе этих выводов предложена функциональная схема САдУ ТПО для токарных станков с ЧПУ, содержащая основную и контролирующую САдУ ТПО, а также автоматизированную гидравлическую систему, обеспечивающую подачу в САЧЭ жидкости требуемого количества и качества (рис. 1).

Процессор (17)

АСБК-М (18

Процессор (12) -

' 'I АСБК-М (13)^—;

1 г| Т | *

;*У асбк-Р(14)ХЗ£; ЧАСБК-В(15)1±>

АСБК-Р

АСБК-В (20)

1 АСУ;САЧЭ(21)

АСУ-САЧЭ (16)

Центральный процессор основной САдУ

- Дисплей

Центральный процессор САдУ ТПО на токарном станке с ЧПУ

I Клавиатура '

Рабочая САдУ

| Контролирующая САдУ ТПО

АСУ-Гидр (24) ^

____Л

Вспомогательная

АСБК-МРВ

Рабочая АСБК-МРВ

Рис. 1

Основная САдУ обеспечивает коррекцию положения режущей кромки резца, отклонение которой вызвано её износом, удлинением резца из-за нагревания, а также вибрацией шпинделя и резца. Данная система управляет вращением шпинделя (1), контролируемым датчиком (9), а также продольной и поперечной подачами суппорта (2), контролируемыми энкодерами (3), (4). Отклонение положения режущей кромки резца, вызванное возмущающими факторами, вычисляется по

данным термоэлектрического (5) датчика и тензометрических (6), (8) датчиков, а затем корректируется поперечным перемещением резцедержателя, контролируемым датчиком (7). Принципы построения данной САдУ ТПО известны и используются на практике.

Предлагаемая контролирующая САдУ включает рабочую и вспомогательную АСБК-МРВ, в которых используются САЧЭ. Данная САдУ фиксирует производственно-технологические дефекты в материале, измеряет упругий осевой прогиб заготовки, поперечный профиль её поверхности, а также параметры вибрации. Эти возможности важны при «черновой» и «получистовой» обработке, когда закладываются «наследственные» изменения размеров и конфигурации поверхности заготовки, трудноустранимые при «чистовой» обработке, а также могут закладываться различные производственно-технологические дефекты.

Рабочая и вспомогательная АСБК-МРВ имеют одинаковое структурное построение. Рабочая АСБК-МРВ контролирует качество изготовления детали. Входящая в неё подсистема АСБК-М (13) обрабатывает информацию о виде и местоположении производственно-технологических дефектов в материале заготовки, а также контролирует размеры детали при «черновой» и «получистовой» обработке. Подсистема АСБК-Р (14) обеспечивает прецизионный контроль размеров. Подсистема АСБК-В (15) контролирует шероховатость и ограненность поверхности заготовки. Подсистема САУ САЧЭ (16) управляет движением САЧЭ в продольном и радиальном направлениях относительно оси детали для позиционирования точек ввода и вывода УЗ сигналов, а также вращательным движением для направления течения жидкости в струе под углом к поверхности детали. Вспомогательная АСБК-МРВ обеспечивает нормальное функционирование рабочей АСБК-МРВ, используя данные затухания УЗ волн между «искусственными» дефектами в контрольном образце из материала детали, (25) данные расчета скорости УЗ волны в рабочей жидкости и контрольном образце с учетом их температуры в текущий момент времени и данные анализа спектра виброколебаний, создаваемых контрольными шероховатостями на поверхности образца.

Для обоснования принципов построения АСБК-МРВ и САЧЭ сформулированы задачи математического и экспериментального моделирования их параметров на примере физических моделей и макетов.

Вторая глава. Проводится теоретическое обоснование принципов построения гидроакустического блока САЧЭ путем математического моделирования гидравлических и акустических процессов в симметричном плоскопараплельном потоке идеальной жидкости с криволинейными «жесткими» и «мягкими» границами (рис. 2), где «жесткие» границы соответствуют стенкам прямолинейных (а) и криволинейных (б) подводящих каналов (1), (2), рабочей камеры (3), каналу сопла (4) и плоскости (5), на которую падает вертикально ленточная струя жидкости (6), а «мягкие» границы - свободной поверхности струи.

Постановка и решение гидравлической задачи основываются на работах Гу-ревича М.И., Жуковского Н.Е., Кочина Н.Е., Лаврентьева М.А., Седова Л.И. Рассматривались уравнения Эйлера для идеальной жидкости. Для их решения использовался метод Жуковского с применением аппарата конформных преобразований комплексных аналитических функций. Получены уравнения (1)-(3), описывающие в стационарном потоке жидкости комплексные координаты г = х + ]у через координаты вспомогательной полуплоскости % = С + Л1- Выражение (3) описывает комплексную скорость течения жидкости V = У -]Уу в данном потоке.

В (2), (3) величины аВв (¡в,. акь ак„, аь являются точками на оси отображающими на вспомогательную полуплоскость х вершины многоугольника-границы потока жидкости на плоскости г.

Рис. 2

</ ¿ /Л X= С , ■ <P(x)F( X.

F( X) *

(X - al, ) IX - и г., >

V( X

-= Ф( X) - С ф

X - ti .,, II ,

yj(X - a l¡ )■( x - n-^7

) ( x' - a )

; [ v^ y i" ix

-" к >■< *

•Jo l¡ - a h » •' - o ;

r

(1) (2)

(3)

> < Я' ~ " ¡S ' W"1 A'A' ~ a h >■<

V I X1

V> -r' - "í.)

л/'" л О - я I* » - " I > «" л/'" К о - « и И Л-1 - П ^ )

«Скругление» углов при вершинах многоугольника-границы реализуется с помощью замены переменной / в (1) на разработанные в диссертации функции

Л -

X = s " с -с) = с t - ^ J-+ ч ■ ( i + ; + I х- А- ц)( х- А+ и)_|

Х- А + ( 1 + q) Х- Л- U>{ Х- А + и) J

jf' = g ~ i xi = с

( х+ А- р) I х+ А+ и)

А+ ( 1 + q) ■ Л - t?

(4)

^ q ■( 1 + -2---* -f

2 [ А+ I I + q) V Л - I?

(5)

Х+ А-К I + qi Х+ А- Р)( Х+ А+ U)\

г, = 1Д 1 + q ( I + ^ ) ■< Л - tí )/t А( А+ <] + q) ■ д/ Л - и » 1 (6)

Параметры Á, q задаются для каждого параметра aB¡, aBi, акк, акп, aks и определяются из решения системы интегральных уравнений, получаемой из данных о расстояниях dAnAni!+ jhÁI¡A„+i между вершинами А„, А„+/ многоугольника-границы потока жидкости в соответствии с геометрией рис. 2а или 26: <5,

+ = \ ф .....S*: <¡i..... í.» )■ X Гл......; <5,.....О)

Система интегральных уравнений (1)-(7) решается методом Ныотона.

На рис, 3 в качестве примера приведены графики конфигурации струи (а) и графики изменения скорости |V|/Vj„ жидкости вдоль поверхности сопла La/da¡ (б) в зависимости от характера скругления его поверхности (для модели на рис. 1а рассматривался случай: /?=0, hk/dm=h,/da,-= 1,5; h(/dm=0,1; hM/dc„= 1 при f/wÁ/t„=0,5 (Г), dbi/dcl,= 1(2) и di,k/dc„=2(3), V,,,- скорость жидкости в «истоке»). Показано, что рав-

8

номерное изменение |1/|Д'|1, вдоль поверхности сопла наблюдается в случаях, когда её конфигурация переходит от цилиндрической к вытянутой эллиптической, причем радиус кривизны поверхности ЛЯ/УИ1>1. При этом изменение конфигурации

3.0

2.5 2.0

1.6 1.2 0.8 0.4

, y/da>

: dcn /

/2 >3

0.25 0.5 0.75 1.0 1.25

6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0

1.5 - 0 Рис. 3

хМа,

V/V,

0.5 1.»

1.5 „ 2.0 о

3.0

Следовательно, стационарное ламинарное течение жидкости в струе обеспечивается, когда конфигурация поверхности гидравлического канала САЧЭ близка к вытянутой эллиптической, причем отношение радиуса кривизны этой поверхности к поперечному сечению с!а1 канала сопла больше единицы.

При разработке математического аппарата для моделирования передачи НЧ вибрационных колебаний в плоскопараллельном потоке жидкости с криволинейными «жесткими» и «мягкими» границами (рис. 2) полагалось, что его размеры существенно меньше Л объемной волны давления. Тогда применим метод квазистатического описания гидродинамических процессов в идеальной жидкости, основанный на аппарате конформных преобразований комплексных функций. В этом случае из формулы Бернулли_следует, что в точке ?_=х+1)' на границе потока жидкости переменное давление АР и переменная скорость А V связаны выражением АР=- р | У(7.)\ Л | V (г,)|, а переменная сила с!Ы, действующая на элемент длины dz

границы потока жидкости, задается в виде (¡£1 - ¿\P-dz. Для отображения «жестких» и «мягких» участков границы потока жидкости на ось ¿5 применимы формулы (1)-(7). В этом случае выражение ¿N(0 имеет вид

dN=- Д'и

\vt A\v< г>\

à(zlhKl)

d f

cl i

(8)

где: N[S, = p-(ViJ' liKi - сила, создаваемая давлением потока жидкости в сечении hKj «истока» подводящего канала. Используя (1)-(3) в (8), получим выражение

,1N _ п_£) I Л Щ ï)&

"и, ¿>| с").; ''

э аг С)

1 ai

а» t)

а«,

" «

д » {) а и

+

а <и О ±

Ъп

¿le,

д <а ?)

й и

[Il

а «Г

Яа

Ли,.

д » ?)

да

Л» t)

' Г II

Ли

в » {)

+ -

îi» f)

¿Ui

э и.

à и, ,

а «у О

а и.

</ с

M

(9)

Величина dN определяется через амплитуду АИКъ вибрации длины Ьк., струи путем подстановки в (9) величин Аав„ (Ауд/, Аав,, А^вд, (Ае[ць Аакк,

4"м). {АдК„, ДаКт А^к„), Аак,, получаемых в виде зависимостей от АИК„ из решения (1)-(7), На участках поверхности сопла и рабочей камеры, соответствующих поверхности ПЭП, суммарные силы N определяются интегрированием (9) по С. Амплитуда колебательного давления N жидкости связана с амплитудой А/через коэффициент преобразования А'р], в виде N = К1Л- АНК1.

300

200 100 о

hki he

Knh

Ren

den

N

0.5

1.5

2.5

hc/da

2.5 Mdc,

Рис.4

Анализ проводился для модели, в которой поверхность канала сопла (рис. 4а) и поверхность рабочей камеры, расположенной напротив отверстия сопла (рис. 46), являются ПЭП. В качестве примера приведены графики зависимости К,,/, от h,/dc„ для случая, когда радиус скругления канала сопла Ra/da, = 0,5 (1), Rcn/dcn = 1 (2) и Ra/da¡ - 2 (3) при hk/dc„ = 1. Показано, что когда стенка сопла является ПЭП величина Kph на 1-2 порядка больше, чем для случая, когда стенка рабочей камеры является ПЭП. Из расчетов следует важный для практики вывод: для заданной геометрии подводящего канала, рабочей камеры и канала сопла и заданной V течения жидкости при hc/dc, = 0,5- 3,5 выполняется условие Kri,(hJ ~ const.

Постановка и решение УЗ акустической задачи основываются на работах Релея Дж., Скучика Е. Дж., Красильникова В. А., Каневского И. Н. Рассматривалось распространение УЗ волны в заполненном неподвижной жидкостью плоскопараллельном волноводе переменного сечения с «мягкими» и «жесткими» стенками. В качестве волновода использовалась модель на рис. 2а, где в качестве «полужесткой» стенки рассматривалась плоскость (6): «жесткими» стенками - поверхности рабочей камеры (1), подводящего канала (2), (3), сопла (4) и поверхности ПЭП (7); «мягкими» стенками - поверхность струи (5). Волновод представляется в виде цепочки из М ячеек прямоугольной формы. Ячейка рассматривается как «частичная» область с «жесткими» или «мягкими» стенками. Решается волновое уравнение для потенциальной функции течения жидкости U(x,y) в ячейке шириной d„ и длиной h„

Э2 U/Ьх- +Э2 и/д у2 3 и = 0, к-2ж! !\ ж = 2я"// Vx (10)

Здесь:/- частота ВЧ сигнала, Аж и Уж - длина волны и скорость звука в жидкости.

Решение (10) представляется в виде разложения по тригонометрическим функциям. Для п-й ячейки с «мягкими» границами решение имеет вид

(П)

Ц„»1иу)=Хсо5(л-(2Н1+1)д/;/„)[^и.;„„„г ,,,,£• к.....Гг<п =^(л(»и-1/2)М)а-1

Для п-й ячейки с «жесткими» границами решение имеет вид

„--г.

v +и'

film I

(12)

Матрица передачи ||им.п||. связывающая амплитуды (У,7,(1„„и 6','„+1„,), или матрица передачи ||иж.п|1> связывающая амплитуды £/^<„,„,и , „„ между п-й и п+1-й соответствующими ячейками, определяется методом сшивания соответствующих решений (11) или (12) и их производных на общей границе этих ячеек. Матрица передачи цепочки из М ячеек определяется как произведение всех типов матриц передач ||иж.„|| и ||им,п||.

«Жесткие» граничные условия при ¿пэп/2 < |х| < ¿{0-12,у - 0 задаются в виде оиж!01(х, у-0)/ду=0 и на поверхности ПЭП (7), т.е. при 0<рг|< ¿пэп/2, у =_0 - в виде Зи^о) (х, у = 0)/ду = ]2ж/ ИПэп, где: йпэп - амплитуда ВЧ колебаний поверхности ПЭП. Граничные условия на «полужесткой» поверхности (6) задаются в виде

U«uj» = u«u

при m > dtU)

..i т-»

/Л,.

,-2 K,.,hr

1 / 2 имеем Г,,,, = I.

Z, cos: 2#t + 2Z, cos cos в, sin в, - 2ж cos б,

(13)

(14)

(15)

при ni <(/,„,/Лж-1/2 имеем Г(| =

Z, cos 2в, + 2Zr cos вх cos б, sin + Zx cos б,

sin er/sin =Vr , sin в,/sin вж =V,/Vx , sin вж =ЛЖ (2m + l)/</,„,, (16)

Z,=p0V„ Zr=PoV, (17)

Здесь: - плотность жидкости; р0 - плотность материала поверхности (6), V¡ и Vt -

скорость продольной и поперечной звуковой волны в материале поверхности (6).

В качестве примера на рис. 5 приведены результаты расчёта в виде графиков зависимости величины отношения амплитуды колебательного давления Iq на поверхности (6) к амплитуде колебательного давления Рпэп на поверхности ПЭП (\Р(УРПэп\-\И(х-=0,у=11с)/и(х=0,у=0)\) от отношения A>i/dh для случаев: с1ПэпМь= 0,75; /¡¿/¿4= 0; hb/db= db¡/db= I; lh/db= 1; hc/db= 1,5. В качестве материала плоскости (6) рассматривался алюминий. Из рис. 5а следует, что в волноводе возможно возбуждение поперечных резонансов в виде острых пиков большой амплитуды при Лж, кратно равных диаметру db сопла (кривые 1). С уменьшением Лж пики поперечных резонансов по амплитуде уменьшаются и при Д^М» < 1/15 практически исчезают. Остаются только продольные резонансы (кривые 2), связанные с отражением звука от торцовых поверхностей волновода. Для этого случая характер изменения (\Р(/Рпэп\ при изменении Л ж/db продемонстрирован на рис. 56. где: hc/db = 1,5 (3); hc/db= 1,6 (4); hc/db= 1,4 (5). Из данного рисунка следует, что измерение расстояния до поверхности исследуемого объекта можно проводить через струю с помощью резонансного метода.

50 40 30 20 10

Ро / Рпэп

12

1жМь

Ро/ Р ПЭП

3 4 5 ЛЖ/(1Ь

0.5

1.5

2.5

Рис. 5

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

Также показано, что при с1пэп^ь < 0,5 и ЛЖМЬ< 0,05 влияние дифракционного рассеяния УЗ волны на «мягких» стенках струи становится незначительным. Это следует из рис. 6, где в качестве примера приведены картины распределения Р(л'Л4, у/с1ь)/РПэП в объеме волновода (в виде картины плотности серого цвета) для случая: /1,Д4= 0; /¡ы/<4= db^/db= 1; Ик/с1ь= 1; /¡</<4= 1,5; ЛЖМЬ= 0,005, при ¿/лЭл/У,,= 0,75 (а) и ¿яэУ^ 0,25 (б).

Рис. 6

Таким образом, при dпэп/db < 0,5 и ЛЖМ,,< 0,05 вдоль волновода распространяется практически плоская продольная волна. Поэтому для моделирования процесса распространения УЗ волн применимы положения геометрической теории дифракции. В этом случае процесс возбуждения звуковой волны плоскопарал-

лельным излучателем шириной с1пэп и её распространение в пространстве волновода можно описывать с позиции фраунгоферовой дифракции звука от щели. Тогда отношение колебательных давлений Р(,х/(11:, уМьУРпэп задается выражением

Рюп

где: ц! - угол направленности распространения УЗ волны.

С этих позиций было проведено моделирование прохождения УЗ волны от ПЭП через струю до вращающегося цилиндра радиуса Я, а затем обратно через струю к данному ПЭП, либо распространение в материале цилиндра до его тыльной стороны отражение от неё и возвращение обратно через цилиндр и струю к исходному ПЭП, либо выход через тыльную сторону в дополнительную струю к другому ПЭП. В качестве примера на рис. 7 для цилиндра из алюминия и жидкости в виде воды даны для первого (а) и третьего (б) случаев графики зависимости отношения силы давления волны, дошедшей до данного ПЭГ1, к силе давления Иопэп излученной волны от (Iпэп/К Для Л/^лэл =2.5(1); И/^пэп =5(2); /'/¿/язя =10 (3). Из рис. 7 следует, что с уменьшением Я величина Мпэп! Мшэя быстро убывает. На данную зависимость практически не влияет скорость Уц движения поверхности цилиндра, потому что даже при Уц=50 м/с в течение времени движения волны через цилиндр он поворачивается на угол ф<0,005я при любом Я.

Рис. 7

Таким образом, теоретически показано, что УЗ сигнала проходит в прямом и обратном направлениях через струю жидкости до поверхности исследуемого объекта, поэтому с применением струи можно проводить измерение размеров.

Третья глава. Приведены результаты экспериментальных исследований, показывающих адекватность разработанных математических и физических моделей гидроструйно-акустического блока САЧЭ и АСБК-М. Используемые для этих целей акустические методы измерения и методики УЗ дефектоскопии основаны на работах Выборнова Б.И., Гурвича А.К., Ермолова И.Н., Колесникова А.Е., Клюева В.В., Розенберга Л.Д., Шрайбера Д.С. и др.

Изучение параметров физической модели АСБК-М и АСБК-В проводилось на макете, состоящем из механической и электронной систем (рис. 8).

Механическая система (рис. 8а) включала блок подачи и очистки звукопроводящей жидкости (1), гидроакустический блок САЧЭ (2), блок двухкоординатно-го перемещения (3) САЧЭ и блок осевого перемещения и вращения исследуемого объекта (4) (этот блок не показан). Электронная система (рис. 86) включала разработанный ПЭП (6) типа П221Ф, установленный в САЧЭ (2), и стандартный ПЭП (7) типа П111, устанавливаемый на поверхности объекта (4); ВЧ генератор (8) с выходным усилителем напряжения (9), формирующий радиоимпульсы амплитудой до 100 В и длительностью до 25 не; широкополосные приемно-усилительные тракты информационных сигналов с ПЭП (6), (7), включающие электронные ключи и ВЧ усилители (10) и (11); осциллограф (12) для анализа А-разверток информационных сигналов; вибродатчик типа ВД-06 (13) для измерения вибрации корпуса САЧЭ; блоки АЦП (14)-(16) для оцифровки информационных сигналов; ЭВМ (17) для расчета амплитудно-временных характеристик вибрационных колебаний. Включение приемно-усилительного тракта, развертки осциллографа и блока опе-

электронный ключ

Осциллограф

Генератор импульсный

шаЛСы

1 " 'G=0-i40 дБ F„,= 10 МГц-

электронный ключ

ративной памяти в ЭВМ производилось в момент подачи синхроимпульса с вывода (18) генератора (8). Запаздыванием момента подачи синхроимпульса регулировалось с помощью линии задержки, расположенной в генераторе.

. |4

Рис. 8

Были разработаны корпус гидроакустического блока САЧЭ и ПЭП типа П221Ф из пьезоэлектрической керамики ЦТС-19 с протектором из плексигласа в виде линзы 09 мм и фокусом 100 мм (рис. 9а). Импульсная и амплитудно-частотная характеристики данного ПЭП рассчитаны на частоту 5 МГц (рис. 96).

В гидравлической части блока САЧЭ геометрия криволинейной поверхности подводящего канала, сопла и рабочей камеры воспроизведена по результатам расчета в гл. 2. Исследования показали, что данная геометрия гидроканалов при диаметре сопла dcn = 20 мм обеспечивает формирование струи жидкости со стационарным течением при hc/dcn<3 и скорости потока V = 0,5...5 м/с. Течение, медленно перемежающееся от ламинарного к турбулентному и имеющее незначительную амплитуду колебаний на поверхности струи, наблюдается при V > 3.5 м/с.

v [В]

1.5 Рис. 9

Исследования показали, что гидроакустический блок САЧЭ пропускает зондирующие УЗ импульсы длительностью 100 не через струю жидкости в прямом и обратном направлениях практически без искажений. Дифракционное рассеяние УЗ импульсов, связанное с близостью поверхности струи и с процессами течения жидкости, проявляется незначительно. Макет АСБК-М позволяет проводить измерения размеров и фиксировать «искусственные» дефекты в плоских и цилиндрических заготовках из различных материалов на продольной и поперечной УЗ волнах с применением соответствующих известных акустических методов измерения.

В качестве примера на рис. 10 приведены А-развергки, демонстрирующие возможность измерения толщины 1=5 мм пластины из алюминия «эхо»-мегодом. УЗ импульсы излучаются и принимаются ПЭП в САЧЭ после прохождения через

струю воды длиной l_L.ip:

10 мм (а) и 30 мм (б).

Рис. 10. 1 - задающий импульс; 2 - импульс, прошедший в обе стороны по струе после отражения от пластины; 3 - то же, но при двукратном отражении от пластины; 4 - то же, но при трехкратном отражении от пластины; 5 - импульс, прошедший в обе стороны по струе и по пластине после отражения от её нижней стороны; 6 - импульс, двукратно прошедший в обе стороны по струе и по пластине после однократного отражения от её верхней стороны и двукратного отражения от её нижней стороны

Точность измерения составляла 25...35 мкм. Из случаев 2, 3, 4 следует, что точность измерения расстояния до пластины возрастает пропорционально числу отражений. Это же относится к случаям 5, 6, демонстрирующим измерение t пластины. Из сравнения рис. 9а и 96 следует, что изменение LCTp струи не влияет на прохождение УЗ импульсов через струю и пластину. Следовательно, геометрические параметры струи жидкости мало влияют на точность измерений при отношении диаметра отверстия сопла к диаметру поверхности ПЭП больше двух.

Точность измерения t пластины повышается в 2-5 раз при использовании «электронной лупы», т.е. за счет расширения на экране осциллографа временного интервала фиксирования отраженных импульсов за счёт задержки запуска развёртки на время прохождения импульса через струю жидкости при одновременном увеличении частоты развертки в 5 раз. На рис. 1 \ приведены А-развертки, демонстрирующие эту возможность для пластины из алюминия t = 5 мм и струи с 1^=10 мм.

■ Рис. 11.1 -импульс, прошедший в обе стороны по струе после Я ^даЙЩЩЩШвЯпЩИ отражения от пластины; 2 - импульс, прошедший в обе стороны по струе и по пластине после отражения от её нижней стороны

На рис. 12 в качестве примера приведены А-развертки для «эхо»- и «теневого» методов, демонстрирующие прохождение УЗ импульсов через струю с Ьпр=20 мм и пластину из алюминия t = 10 мм, в которой имеется глухое отверстие длиной 5 мм и 0 2,5 мм, ориентированное перпендикулярно к поверхности пластины.

Рис. 12. 1 - задающий импульс с ПЭП221, 2 - импульс на ПЭП221, прошедший в обе стороны по струе после отражения от пластины, 3- импульс, прошедший через струю и пластину к ПЭП 111, охватывая глухое отверстие, 4- импульс на ПЭП221, прошедший в обе стороны по струе после отражения от торцовой поверхности отверстия

Рис. 13.1- задающий импульс; 2 - импульс на ПЭП В САЧЭ, прошедший в обе стороны по струе после отражения от цилиндра; 3- то же, но двукратно прошедший в обе стороны по струе после двукратного отражения от цилиндра. Для случая (а) имеем: 4 - импульс, отраженный от нижней стороны цилиндра и вернувшийся к ПЭП через струю, 5 - импульс, отраженный от двух расположенных горизонтально отверстий и вернувшийся к ПЭП. Для случая (б) имеем: 4 - импульс, отраженный от отверстия, расположенного ближе к нижней стенке цилиндра, и вернувшийся к ПЭП через струю; 5 - импульс, отраженный от отверстия, расположенного ближе к верхней стенке цилиндра, и вернувшийся к ПЭП. Для случая (в) имеем: 4 - импульс, отраженный от отверстия, расположенного ближе к верхней стенке цилиндра, и вернувшийся к ПЭП через струю

На рис. 13 в качестве примера приведены А-развертки, демонстрирующие возможность измерения линейного размера до поверхности цилиндрической заготовки из алюминия 0 23 мм при одновременной фиксирования «искусственных» дефектов в виде двух сквозных отверстий 0 5 мм с промежутком между ними 8 мм.

Таким образом, через струю жидкости можно проводить измерения размеров и фиксировать дефекты в плоских и цилиндрических заготовках из различных материалов с применением известных акустических методов измерения. Отметим, что при использовании промышленных УЗ приборов, например, типа УД2В-П46, можно будет реализовать точность измерения до 2,5...5 мкм.

Четвёртая глава. Отражает практическую реализацию функциональной схемы АСБК-МРВ токарного станка (рис. 1), разработаны функциональные схемы специализированных АСБК материала (АСБК-М), АСБК размеров (АСБК-Р) и АСБК вибрации (АСБК-В).

Построение АСБК-М (рис. 14) основано на методах измерения времени распространения УЗ импульса между источником и исследуемым объектом. Расположенный в САЧЭ пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) подключается к источнику радиоимпульсов (ГИ) и приемно-усилительному тракту (ПУТ) через цифровой коммутатор. ГИ возбуждает ПЭП, осуществляя прецизионное управление амплитудой УЗ импульсов. ПУТ обеспечивает усиление информационного сигнала. Для компенсации ослабления УЗ сигнала в акустическом канале используется программируемая временная регулировка усиления (ВРУ). Усиленный сигнал оцифровывается блоком АЦП, из которого поступает в систему автоматической сигнализации дефектов (АСД), работающей в трех временных зонах контроля. АСД содержит блоки оперативной памяти (ОП) и блоки анализа амплитуды и фазы информационного сигнала. Блок из двух САЧЭ позволяет использовать акустические методы контроля: «эхо», «на проход», «теневой», «зеркально-теневой», с применением продольной, поперечной, нормальной или поверхностной УЗ волн. Для регистрации небольших дефектов и уменьшения дифракционного рассеяния УЗ волн между ПЭП (25) и соплом (26) размещена акустическая линза. Её фокус регулируется путем изменения кривизны преломляющей поверхности (27) за счет изменения объема заполняющей линзу жидкости (28) с помощью поршневой системы (29). Периодичность передачи информации определяется временем распространения УЗ импульсов в акустическом канале и временем релаксации паразитных сигналов. УЗ импульсы пропускаются через вращающуюся деталь в различных направлениях, поэтому обработку пространственного распределения амплитудно-фазовых параметров информационных сигналов можно проводить когерентными методами. Процессор осуществляет построение цифровых А- и В-разверток, а по ним - С-разверток. Теоретически и экспериментально показано (гл. 2 и гл. 3), что по ним можно определять размеры дефектов до 0,1 мм", а их местоположение - с точностью 5.. .25 мкм, что позволяет классифицировать дефекты на критические, значительные и малозначительные. Линейные размеры можно контролировать с точностью 3...10 мкм при длительности УЗ импульсов 0,005...0,025 мкс и с точностью 10...25 мкм при длительности 0,03...0,5 мкс.

Построение АСБК-Р (рис. 14) основано на противофазной интерференции двух пачек из 100... 150 УЗ импульсов длительностью 25...35 не, движущихся в одном направлении в оптически активной жидкой среде (28). Излученная через протектор ПЭП (25) первая пачка импульсов должна в момент проведения измерений N раз = 1. ..5) отразиться от поверхностей заготовки (31) и протектора Г1ЭП. пройдя 2Л/ раз через жидкость (28) и проточную жидкость (30), включая струю (32). Вторая пачка импульсов должна излучиться через протектор в момент /У-го отражения от него первой пачки импульсов. Прецизионное управление амплитудой и моментом излучения УЗ импульсов из ПЭП (25) обеспечивает условие, когда амплитуды импульсов первой и второй пачки равны, но в противофазе. Тогда если они движутся по одной траектории, то будут подавлять друг друга. Но, если их траектории пространственно разнесены, то подавление будет частичным. Жесткие требования к пространственному совмещению интерферирующих УЗ пучков устраняются, а процесс их интерференции можно регистрировать при использовании

акустооптической системы, формирующей оптические образы амплитудно-фазовых характеристик УЗ пучков. В данной системе два ленточных пучка монохроматического когерентного света равной интенсивности, генерируемые полупроводниковыми лазерами, пропускаются через жидкость (28) по двум акустооп-тическим каналам (на рис. 2 показан один канал (33) с источником света (34)). Эти каналы расположены в одной плоскости перпендикулярно друг другу, а также перпендикулярно оси линзы (27).

; Рис. 14

В каждом канале при взаимодействии пучка света с УЗ волной генерируются диафрагмированные пучки света первого порядка (35), которые излучаются под углом 0 = ± А/А к основному пучку, где л - длина волны света (акустооптическая дифракция Римана-Ната). Их амплитуда и фаза пропорциональны интегральной величине амплитуды и фазы суммарной УЗ волны. Диафрагмированные пучки направляются на фокусирующие линзы (36). Установленные в их фокусных точках фотоприемники (37) воспринимают интегральный световой поток, отображающий интерференцию оптических образов даже пространственно разнесенных звуковых пучков. Сигналы с фотоприемников и данные об амплитудно-временных параметрах интерферирующих пачек УЗ импульсов, задаваемые в ГИ. поступают в процессор. который вычисляет расстояние до поверхности (31) детали. Теоретически (гл. 2) показано, что АСБК-Р обеспечивает точность 1.. 1,5 мкм.

Построение АСБК-В (рис. 14) основано на передаче низкочастотных колебаний от поверхности детали (31) к поверхности ПЭП (38), (39) через струю (32) в виде объемных волн давления. Активные поверхности ПЭП (38), (39) являются стенками подводящего канала (40) и сопла (26). Коэффициент преобразования Kvh, связывающий амплитуду h колебаний поверхности (31) с амплитудой колебаний давления р жидкости на поверхности ПЭП и задаваемый в форме р = Крh- h, зависит преимущественно от длины /¡ст струи. При заданной геометрии канала (40) и сопла (26) и заданной скорости течения жидкости имеется интервал значений /;ст. в пределах которого Л"рьС'ст) ~ const (см. гл. 2). Выполнение данного условия обеспечивается рабочей АСБК-М. которая контролирует /гст, измеряя время распространения УЗ импульсов между ПЭП (25) и поверхностью (31). Процедура контроля h^ задается процессором контролирующей СадУ ТПО. Объемная волна давления р возбуждает электрические сигналы в ПЭП (38), (39) в одинаковой фазе. Они усиливаются усилителями (ОУ) с регулируемым С и суммируются в сумматоре. Суммарный сигнал преобразуется в цифровую форму и записывается в блоке ОП. По информационным данным нескольких оборотов заготовки процессор определяет

амплитуду колебаний поверхности в зависимости от угла поворота. Теоретически и экспериментально показано (гл. 2 и 4), что можно измерять амплитуду виброколебаний с точностью до 2...5 мкм. Для измерения амплитуды виброколебаний с данной точностью необходимо подавлять паразитные электрические колебания, возбуждаемые в ПЭП (38), (39) волнами давления из-за инерционных колебаний жидкости (29) в направлении их оси симметрии, а также из-за колебаний длины Лст струи (32). Эти паразитные колебания вызваны вибрацией корпуса САЧЭ под действием вибрации суппорта станка. Для их измерения используется акселерометр (41) в виде полого цилиндра из поляризованной по радиусу пьезоэлектрической керамики с электродами, нанесенными на внутреннюю и внешнюю его стенки. Внешний объем цилиндра является одновременно инерционной массой, а основание (42) - поглотителем паразитных УЗ волн. Возбуждаемый в ПЭП (41) электрический сигнал усиливается, оцифровывается и передается в блок анализа амплитудно-временных параметров паразитных колебаний корпуса. В процессоре эти данные вычитаются из соответствующих данных информационного сигнала с ПЭП (38), (39). Электрические колебания, связанные с инерционными колебаниями проточной жидкости (29), возбуждаются на электродах ПЭП (38), (39) в противо-фазе. В АСБК-В вспомогательной АСБК-МРВ эти колебания усиливаются в усилителях с регулируемым в и поступают в блок вычитания, где вырабатывается разностный сигнал. Он оцифровывается и передается в процессор данной АСБК-В. В соответствии с величиной и полярностью разностного сигнала процессор вырабатывает управляющие сигналы, изменяющие С так, чтобы разностный сигнал стремился к нулю. Данные об оптимальных величинах С передаются в процессор рабочей АСБК-В, который изменяет С соответствующих усилителей так, чтобы в рабочей АСБК-В разностный паразитный сигнал тоже был минимальным.

Построение гидравлической системы САЧЭ. Данная система содержит сетчатый фильтр грубой и центробежный фильтр тонкой очистки звукопроводящей жидкости. Для стабилизации звукопроводящих свойств очищенная от твердых и маслянистых примесей жидкость обезгаживается в термовакуумной системе. Обезгаженная жидкость окончательно дегазируется под действием УЗ волн, а затем охлаждается до требуемой температуры. После этого жидкость попускается через электроуправляемый дроссель, который задает подачу жидкости под требуемым давлением по двум магистральным каналам. В каждом канале имеются два параллельно включенных электроуправляемых дросселя для грубой и тонкой регулировки подачи жидкости. Они обеспечивают одинаковые параметры рабочей жидкости на входах САЧЭ. Показано, что данная гидравлическая система при производительности до 1000 л/мин сможет обеспечить подачу рабочей жидкости с температурой 15...35 ±0,1 С" и скоростью течения 0,5...5 м/с.

Экспериментальная проверка возможности использования известных УЗ методов контроля размеров и вибрации при механической обработке с применением макетов АСБК-М, АСБК-В и гидроструйно-акустического блока САЧЭ была проведена на токарных станках с ЧПУ моделей ТПК 125 (рис. 15а) и ПАБ 350.

Результаты эксперимента, демонстрирующие возможность автоматизированного контроля диаметра 0 заготовок из алюминия и бронзы на станке модели ТПК 125 приведены на рис. 156, в. В данном случае УЗ импульсы тим= 100 не направлялись через струю воды длиной 30 мм (скорость течения жидкости 1.5 м/с) перпендикулярно поверхности заготовки, вращающейся с частотой 120 об/мин. Измерение 0 проводилось по А-разверткам с помощью «эхо»-метода. В качестве примера на рис. 15а приведена А-развертка для заготовки из алюминия с 0 23 мм, а на рис. 15в - для заготовки из бронзы с 0 27 мм. При применении «электронной лупы» для визуализации временного интервала, соответствующего индикации на экране осциллографа сигналов УЗ импульсов, отраженных от верхней и нижней закругленных сторон заготовки, точность измерения 0 составила 15...20 мкм..

Рис. 15.

Изображение контроля размеров с помощью АСБК-М в процессе механической обработки (а). А-развертки (б) и (в): здесь изображены: 1 - сигнал зондирующего импульса, 2 - сигнал импульса, прошедшего в обе стороны по струе после отражения от верхней стороны заготовки, 3 - сигнал УЗ импульса, двукратно прошедший в обе стороны по струе после однократного отражения от ПЭП и двукратного отражения от поверхности заготовки, 4 - сигнал УЗ импульса, однократно отраженного от нижней стороны заготовки и вернувшегося через струю к ПЭП

На рис. 16 приведены результаты эксперимента, демонстрирующие изменение величины ограненности поперечного профиля поверхности (а) заготовки-прутка из эбонита 0 35 мм и длиной 350 мм, а также изменение отклонения размера диаметра заготовки вдоль оси (б), вызванные упругим прогибом материала при «черновой» и «получистовой» токарной обработке на станке модели ТПК 125, В данном случае УЗ импульсы т„м= 100 не направлялись через струю воды длиной 25 мм2 (скорость течения жидкости 1.5 м/с) перпендикулярно поверхности заготовки. Точность измерения «эхо»-методом составляла 10-15 мкм.

Рис. 16. а - графики зависимости отношения поперечного размера d к среднему диаметру dq> от

угла ч> поворота заготовки для «черновой» (1) и «получистовой» (2) обработки при ULo-0,5\ б - графики зависимости отношения поперечного размера а к среднему диаметру </„, от относительной длины заготовки L/L0 для «черновой» (1) и «получистовой» (2) обработки.

Точками о и • обозначены экспериментальные замеры

Экспериментальная проверка возможности измерения амплитудно-временной характеристики вибрации цилиндрической заготовки в процессе обработки проводилась на станке ПАБ 350. На корпусе САЧЭ был установлен вибродатчик типа ВД-06, который фиксировал колебания корпуса САЧЭ. Этот информационный сигнал для определения его амплитудно-временной характеристики обрабатывался на ЭВМ с помощью программы «Spectra-Lab». Вычисленные данные вычитались из данных амплитудно-временной характеристики вибрации поверхности вращающейся заготовки, которые поступали на ЭВМ с ПЭП в САЧЭ. В данном случае УЗ импульсы длительностью 100 не направлялись через струю воды длиной 35 мм (скорость течения жидкости 1,0 м/с) перпендикулярно поверхности заготовки, вращающейся с частотой 160 об/мин.

На рис. 17 в качестве примера показаны результаты измерений амплитудно-временных характеристик, снятых с поверхности заготовки из бронзы 027 мм в момент запуска (а) и торможения (б) шпинделя станка, а также в процессе обработки (в) и (г). Из рисунков следует, что принципы построения гидроакустическо-

го блока САЧЭ позволяют измерять вибрацию с минимальной амплитудой колебаний порядка 2.5...5 мкм при максимальной амплитуде до 35 мкм.

Рис. 17 Основные выводы

1. Разработаны принципы построения АСБК-МРВ на основе САЧЭ, обеспечивающие передачу соответствующей информации через струю жидкости с помощью НЧ и ВЧ звуковых волн, позволяющие контролировать структуру материала, размеры и параметры вибрации в процессе механической обработки.

2. Разработан метод моделирования гидродинамических процессов в симметричном, плоскопараллельном потоке идеальной жидкости с криволинейными границами. С его помощью проведен расчет геометрии гидроканалов САЧЭ, обеспечивающей устойчивость жидкости в струе при 11сг/с1сп< 3 при средней скорости её течения 0,5-5 м/с. Данный метод применим для оценки оптимальной геометрии гидроканалов прямоугольной формы и ленточных струй жидкости в других типах струйных акустических измерительных устройств.

3. Разработаны методы моделирования прохождения НЧ и ВЧ звуковых волн в симметричном плоскопараллельном потоке идеальной жидкости с криволинейными границами. С их помощью проведена оптимизация параметров акустического канала САЧЭ, обеспечивающих передачу вибрационных колебаний и УЗ импульсов через струю жидкости с минимальными дифракционными потерями.

4. Показана возможность фиксировать дефекты в плоских и цилиндрических заготовках из различных материалов, а также проводить контроль размеров и вибрации цилиндрической заготовки в процессе механической обработки на токарном станке с помощью акустических методов измерения при передаче соответствующей информации через струю жидкости. Разработанная АСБК-МРВ позволяет в процессе токарной обработки измерять размеры с точностью 1... 10 мкм, фиксировать дефекты до 0,01 мм2 с точностью определения местоположения 5...25 мкм и регистрировать виброколебания амплитудой 2,5...35 мкм в полосе 0,1...25000 Гц. Разработанная конструкция гидроакустического блока САЧЭ является новой, базовой. На её основе возможна разработка новых типов струйных акустических измерительных устройств.

Основные результаты диссертации изложены в 11 публикациях (из общего числа 30 публикаций)

В журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Захарченко М. Ю. Метод решения стационарной гидродинамической задачи с несколькими свободными границами / Б.М. Бржозовский, М.Ю. Захарченко // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2009. -№2 (39). - Вып. 2. - С. 121-127.

2. Захарченко М. Ю. Методика решения нестационарной гидродинамической задачи по прохождению звуковых волн через струю жидкости / Б.М. Бржозовский, М. Ю. Захарченко, Ю. Ф. Захарченко // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2009. - №3 (41). - Вып. 2. - С. 42-45.

3. Захарченко M. Ю. Математическое моделирование резонансных процессов при прохождении звуковых волн через струю жидкости в акустическом вибрационном датчике для автоматизированных систем контроля и управления станочным оборудованием / Б.М. Бржозовский, М. Ю. Захарченко, Ю. Ф. Захарченко // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2009. - №4 (43). -Вып. 4.-С. 155-158.

4. Захарченко М. Ю. Решение стационарной гидродинамической задачи по прохождению звуковых волн через струю жидкости / Б.М. Бржозовский, М.Ю. Захарченко // Вестник Саратовского государственного технического университета - 2009. - №2 (41). - Вып. 2. - С. 45-49.

5. Патент РФ № 2353925. Устройство для бесконтактного высокоточного измерения физнко-технических параметров объекта / Бржозовский Б.М., Грачёв Д.В., Елисеев Ю.Ю., Захарченко М.Ю., Захарченко Ю.Ф. 2009. 52 с.

6. Захарченко М. Ю. Математическое моделирование нестационарных процессов течения жидкости в струйном вибродатчике. Ч.. 1 Стационарная задача / М. Ю. Захарченко. - Саратов, 2008,- С. 42-48.

7. Захарченко М. Ю. Математическое моделирование нестационарных процес-течения жидкости в струйном вибродатчике. Ч. II. Нестационарная задача / 3. Захарченко. - Саратов, 2008. - С. 48-51.

Захарченко М. Ю. Работа струйного акустооптического измерительного уст-I М. Ю. Захарченко // Автоматизация и управление в машино- и прнборо-[.• сб. науч. тр. - Саратов, 2008. - С. 56-62.

арченко М. Ю. Математическое моделирование нестационарных процес-ения жидкости в струйном вибродатчике / Б. М. Бржозовский, ^ карченко // Математические методы в технике и технологиях ММТТ - 21 : О тр. XXI Междунар. науч. конф. - Саратов, 2008. - С. 79-82. СО 1харченко М. Ю. Принципы построения струйного акустооптического из-q ьного устройства / Б. М. Бржозовский, М. Ю. Захарченко, Ю. Ф. Зачарчен-О тематические методы в технике и технологиях ММТТ - 22: сб. науч. тр. т- ;ждунар. науч. конф. - Псков, 2009. - С. 17-21.

^ «арченко М. Ю. Использование струйного измерительного акустооптиче-,-тройства для контроля обработанной поверхности при механообработке / >жозовский, М. Ю. Захарченко, В. В. Мартынов // Повышение эффективно-анообработки на основе моделирования физических явлений: материалы науч.-техн. конф. - Рыбинск, 2009. - С. 38-43.

Патенты

Основные публикации в других изданиях

Подписано в печать 07.10.11 Бум. офсет. Тираж 100 экз.

Усл. печ. л. 1,0 Заказ 256

Формат 60x84 1/16 Уч.-нчд. л. 1,0 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов. Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru

2010013020

Введение.

Глава 1. Принципы построения автоматизированной системы бесконтактного контроля качества технологического процесса при обработке на токарном танке с ЧПУ.

1.1. Принципы построения современных адаптивным систем автоматического управления технологическим процессом обработки на токарных станках.

1.2. Принципы построения адаптивной системы автоматического управления технологическим процессом обработки на токарных станках, включающий автоматизированную систему контроля структуры материала, измерение размеров и анализ параметров вибрации в процессе обработки.

Глава 2. Разработка гидродинамической и акустических моделей для обоснования функциональных возможностей струйного акустического чувствительного элемента.

2. 1. Стационарная гидродинамическая теория.

2. 1. 1. Построение гидромодели стационарного потока жидкости . 60 2. 1.2. Процедура решения стационарной гидродинамической задачи с помощью метода Жуковского*.

2.1.3. Решение стационарной-гидродинамической задачи применительно к рассматриваемым акустическим устройствам струйного типа.

2.1.4. Процедура численного решения гидродинамической задачи для рассматриваемых плоскопараллельных моделей потока жидкости.

2.1.5. Результаты расчета гидродинамической задачи для, рассматриваемых плоскопараллельных моделей потока жидкости.

2. 2. Моделирование процесса передачи низкочастотных вибрационных колебаний в плоскопараллельном потоке жидкости.

2.2.1. Рабочие выражения

2.2.2. Результаты расчета.

2.3. Моделирование передачи ультразвуковых волн в цилиндрическом потоке жидкости с криволинейной жесткой» и «мягкой» поверхностью.

2.3.1. Математический аппарат анализа процессов распространения ультразвуковых волн в акустическом волноводе переменного сечения.

2.3.2. Результаты расчета.

2.4. Анализ функциональных возможностей акустооптического оптического метода преобразования параметров ультразвуковой волны в соответствующие параметры оптического пучка.

Глава 3. Экспериментальные исследования передачи информации о размерах и дефектах с помощью ультразвуковых волн через струю жидкости.

3.1 Разработка испытательных,стендов и макета струйного акустического чувствительного элемента.

3.2. Результаты экспериментальных исследований.

Глава 4. Разработка функциональных схем АБК материала, размеров и вибрации.

4.1.1. Построение АСБК-М

4.1.2. Построение АСБК-Р'.

4.1.3. Построение АСБК-В.

4.1.4. Построение гидравлической системы САЧЭ.

4.2. Экспериментальная проверка функциональных возможностей автоматизированного бесконтактного контроля размеров и параметров вибрации.

В космической, авиационной, энергетической и транспортной технике используются машины и устройства, которые должны обеспечивать высокую надежность работы в течение всего срока эксплуатации, а в ряде случаев - гарантированную надежность работы. Эта проблема решается за счет использования деталей из высококачественных материалов, преимущественно специального назначения. К ним относятся легированные высокопрочные конструкционные и жаростойкие стали; тугоплавкие металлы и их сплавы; конструкционные алюминиевые, магниевые и титановые сплавы; керамики, металлокерамики и пластмассы; композитные материалы на основе порошковой и волоконной технологии; многослойные материалы, получаемые путем гальванического осаждения, наварки, напыления и пр. [1-2].

Эти материалы характеризуются специфическими физико-механическими свойствами: высокой твердостью, хрупкостью, вязкостью, пластичностью, низкой теплопроводностью, наличием пустот и включений с другими свойствами, присутствием производственно-технологических дефектов в виде термических и шлифовочных трещин, закатов, расслоений и пр. [1 - 2]. Данные свойства ухудшают обрабатываемость заготовок деталей из этих материалов: пластичность приводит к увеличению ^шероховатости поверхности из-за образования наклепа на режущей кромке инструмента; повышенная способность к упрочнению приводит к возрастанию твердости обрабатываемой поверхности; низкая теплопроводность затрудняет отвод тепла из зоны резания; высокий коэффициент трения из-за высокого химического сродства с материалом инструмента и наличие твердых включений интенсифицируют изнашивание инструмента; высокая химическая активность к кислороду, азоту и водороду вызывает охрупчивание поверхностного слоя; склонность к образованию макро- и микро неоднородностей в виде трещин, расслоений, пустот и уплотнений приводит к образованию зон с сильными растягивающим и сжимающим напряжениями с последующим их разрушением [3-7].

Эти технологические факторы затрудняют высококачественное изготовление деталей сложной формы методами лезвийной обработки. Трудно достигается высокая геометрическая точность, что обусловлено интенсивным износом инструмента, повышенным коэффициентом линейного расширения, низкой теплопроводностью, большим упругим прогибом заготовки, ограненостью её поверхности из-за пониженной виброустойчивости системы деталь - инструмент и пр. Трудно достигается низкая шероховатость обрабатываемой поверхности, что обусловлено склонностью данных материалов к образованию трещин,. расслоений, пустот, уплотнений и наклепа на режущей кромке инструмента. В процессе обработки сложно сохранить соответствие физико-механических свойств материала поверхностных слоев заготовки жестким условиям эксплуатации детали [8 -11].

Актуальность темы;

В современном производстве высококачественных деталей задача повышения точности и производительности при лезвийной обработке на станках с ЧПУ с сохранением требуемых физико-механических свойств материала решается в основном путем совершенствования принципов построения автоматических систем управления« формообразующими движениями инструмента и режимами резания [12-15], а также за счет совершенствования? применяемых в них- автоматических систем прецизионного контроля размеров [16-19]. С их помощью проводится межоперационная привязка поверхности заготовки и инструмента к системе координат станка, контролируется геометрия режущей кромки инструмента после правки, измеряются размеры заготовки для коррекции программы управления инструментом и вспомогательным оборудованием. Качество работы станков с ЧПУ во многом определяется динамическими свойствами их основных механизмов, анализ которых позволяет корректировать процесс управления технологическим процессом обработки. В современных автоматических системах управления станками с ЧПУ эта задача преимущественно решается путем использования в системах адаптивного управления инструментом и вспомогательным оборудованием результатов измерения амплитудно-частотных характеристик вибрационных колебаний шпиндельного и инструментального узлов [20].

В настоящее время в универсальных и специализированных обрабатывающих станках с ЧПУ преимущественно применяются автоматизированные контактные измерительные устройства. В первую очередь они предназначены для высокоточного определения угловых и линейных размеров заготовки и инструмента независимо от состояния механической части станка. Для этих целей используются различные типы прецизионных энкодеров линейного перемещения и высокочувствительных, быстродействующих триггерных датчиков момента касания. Для измерения виброколебаний шпиндельного и инструментального узлов применяются прецизионные датчики вибрации.

В качестве устройств контроля линейных перемещений широко применяются оптоэлектронные энкодеры, например; типа ЗІМОВКІУЕзєпбогб фирмы «Бітаїіс» и ІЮ2, ІЮ4 фирмы «ЯетзЬалу» с растровой лентой длиной от 50 мм до 10 м, а для контроля угловых перемещений применяется угловой'энкодер КЕЗЇІ фирмы «ІІепІ8Ііа\у» с диаметром растрового кольца от 52 мм до 413 мм (рис. 1 а, б).

Растровая лента энкодера линейных перемещений устанавливаются вдоль направляющих продольной и поперечной подачи, а оптоэлектронная считывающая головка — на соответствующей подвижной части суппорта. Кольцевая растровая лента энкодера угловых перемещений устанавливается на поворотных механизмах инструментального узла и в механизмах измерительных устройств. Датчики касания устанавливаются в револьверном резцедержателе или в автономном блоке 3-х координатного прецизионного перемещения, управляемого ЭВМ.

Данные приборы обеспечивают контроль линейного размера с точностью от 0,02 мкм до 5 мкм и угла поворота с точностью от 0,01" до 0,5" при скорости перемещения растровой ленты до 300 мм/с. Линейность шкалы составляет ±1 мкм на длине 60 мм и ±3 мкм на длине 1000 мм.

Их отличные метрологические характеристики, надежность эксплуатации и устойчивость выходного сигнала сохраняются при наличии пыли, масленых пленок и царапин на рабочих поверхностях. Энкодеры работают совместно с тензо-метрическими и оптоэлектронными датчиками момента касания, например, типа РМІ-ОМІ и ЪР2-ОМ1 фирмы «КепІБІїауу» или типа ТР20 и ТР200 фирмы «Зітаіїс» (рис. 1 в, г). Применение системы энкодер — триггерный датчик позволяет уменьшить время простоя станков до 30%., а объем брака снизить до 90%. t a) 1 6) B)

Рис. 1. На (а) дана схема построения энкодера линейного перемещения типа RG2 фирмы Renishaw. Излучение светодиода 1 направляется на масштабную растровую ленту 2 с наклонными штрихами, нанесенными с шагом 40 мкм. Отраженный луч света, проходя сквозь прозрачную фазовую дифракционную решетку 3, попадает на решетку фотодетекторов 4. В плоскости решетки фотодетекторов 4 образуются интерференционные полосы. За счет усреднения по 80 штрихам, в процессоре 5 считывающей головки обеспечивается точность измерения до 0,05 мкм. На (б) приведена схема построения триггерного тензодатчика момента касания типа PMI фирмы Renishaw для 3-х мерного измерения. На (в) приведены сменные щупы из углеродного волокна длиной 30. 120 лш с рубиновым шариком на конце 0 0,5.6мм.

В цепях обратной связи систем адаптивного управления технологическим процессом обработки на токарных и фрезерных станках с ЧПУ для коррекции формообразующего движения инструмента и вспомогательного оборудования, исследования динамики резания и мониторинга функциональных узлов станка используются данные измерения вибрационных характеристик. В зависимости от целей и задач применяются различные типы контактных прецизионных тензомет-рических и пьезоэлектрических вибродатчиков [21, 22]. Преимущественно используются пьезоэлектрические акселерометры, меньше — тензорезистивные и еще меньше емкостные, индуктивные. Подавляющее число акселерометров предназначено для измерения^ ускорения в одном направлении чувствительности, но имеются конструкции двух- и трех координатного измерения ускорения.

В промышленности наибольшее применение нашли акселерометры фирмы «Brüel & Kjer», например, типа 8616 Al 000 с чувствительностью nKn/g ~ 40 в диапазоне частот 0,001.25 кГif и типа 4593 «Delta Shear» с чувствительностью мВ/g~ 15 в диапазоне частот 0,001.16/<^Гц (рис. 2). Современные акселерометры могут измерять вибрационные ускорения от 10"3 до 105 м/с2. Основная погрешность в пределах 2. .10%. Масса некоторых акселерометров составляет десятые и сотые доли грамма, а объем - меньше 0,5 см'.

Акселерометры устанавливаются на неподвижных инструментальных державках, оправках, шпинделе и суппорте и пр. При этом часто используется несколько датчиков с различной ориентацией осей чувствительности. В ряде случаев контактные акселерометры можно устанавливать на механизмах, совершающих медленное линеиное движение, например, на поверхности заготовок при фрезерной обработке. f, кГц

Рис. 2. На (а) изображен пьезоэлектрический акселерометр типа 4374 с пьезоэлементом, работающим на сжатие, на (б) - акселерометр типа 4394 с пьезоэлементом, работающим на сдвиг, где: 1- пьезоэлектрический элемент, 2- инерционная масса, 3- прижимные пружины, 4 — опорная стойка, 5 - выходное гнездо, 6 - основание с крепежной резьбой. На (в) изображены датчики, выпускаемые фирмами «Briiel & Kjaer» и «Kistler Instrumente AG». На (г) приведена амплитудно-частотная характеристика пьезоэлектрического акселерометра типа 4329 фирмы «Briiel & Kjaer».

Чувствительный элемент акселерометров состоит из пьезоэлектрических дисков или пластинок, на которых закреплены массивные элементы из вольфрама для создания больших инерционных сил. Вся конструкция зафиксирована зажимным приспособлением. Когда акселерометр подвергается воздействию вибрации, инерционная масса действует на пьезоэлектрический элемент с переменной инерционной силой. Вследствие пьезоэлектрического эффекта эта переменная сила порождает переменный электрический заряд на поверхности чувствительного элемента, амплитуда которого пропорциональна ускорению.

В тензорезистивных датчиках вибрации выходной сигнал пропорционален упругой изгибной деформации чувствительного элемента в виде тензорезистора, вызванной воздействием на него инерционной силы.

Информационный сигнал акселерометра усиливается по напряжению или току в предварительных усилителях напряжения или тока, затем в усилителях-интеграторах и после поступает в анализаторы спектра, измерителе временных интервалов и цифровые устройства для запоминания информации.

Однако все типы контактных устройств для измерения размеров и вибрации не применимы в случае, когда требуется контролировать технологические параметры быстро движущейся поверхности заготовки. принципе фиксации момента отражения света от края заготовки или инструмента при надвигании на него фокуса сходящегося пучка когерентного света.

В ряде случаев для динамического измерения размеров применяются триангуляционные оптические датчики типа L-GAGE, SE332 и OptoNCDT фирм «Si-matic РХ», «General electric». В диапазоне измерения 5.500 лш они обеспечивают точность измерения ±0,01% от величины диапазона измерения (рис. 2). Отметим, что в ряде случаев эти типы датчиков могут быть использованы для измерения вибрации.с амплитудой 0,1. 100 мкм в диапазоне частот от 0,1 Гц до 25 кГц.

Однако автоматизированные систем бесконтактного контроля на основе рассмотренных типов оптических датчиков не могут быть использованы для измерения размеров заготовки со сложной' конфигурацией внешней поверхности. Для контроля геометрии поверхности отверстий и полостей небольшого размера не применимы в принципе. Кроме этого, они чувствительны к шероховатости и загрязнению обрабатываемой поверхности.

Рис.4. Двух лучевой оптический интерферометр Захарьевского-Миро с фокусировкой пучка света в рабочем и опорном каналах. Прибор содержит: когерентный источник света 1; коллиматор 2 в виде двух линз и диафрагмы, формирующей параллельный пучок света; первое светоделительное зеркало 3; фокусирующую линзу 4; второе светоделительное зеркало 5; опорное зеркало 6; матрицу фотоэлементов 7; ЭВМ 8. На поверхности матрицы фотоэлементов интерферируют рабочий и опорный световые пучки, отраженные от поверхности объекта 9 и опорного зеркала. С матрицей фотоэлементов соединено вычислительное устройство, с помощью которого определяются геометрические параметры поверхности исследуемого объекта в окрестности фокусной точки.

Для прецизионного измерения размеров и параметров вибрации внешней поверхности заготовки простой формы в ряде случаев применяются автоматизированные системы бесконтактного контроля на основе оптических двух лучевых и многолучевых интерферометров типа Майкельсона с параллельными пучками Г 6 света в рабочем и опорном оптических каналах (рис. 4). С их помощью возможно измерение размеров с точностью 0,05. .0,1 мкм [23].

Однако применение интерферометров в процессе механической обработки затруднено, потому что при измерении геометрических параметров поверхности, имеющей волнистый профиль даже с небольшим радиусом кривизны, картина оптической интерференции трудно поддается обработке [24]. Поэтому оптические интерферометры очень чувствительны к вибрации, шероховатость поверхности обследуемой поверхности должна быть менее 0,01 мкм, а угол наклона поверхности относительно оптической оси устройства не должен превышать 20". При этом деталь должна изготавливаться из материала с высокой отражающей способностью света, а контролируемая поверхность не должна быть покрыта пленкой из светорассеивающего или светопоглощающего материала, например, масленой пленкой. Отметим также, что оптические интерферометры имеют большие габаритные размеры.

В автоматизированных системах управления станками с ЧПУ достаточно широкое применение находят специализированные автоматические системы бесконтактного контроля параметров вибрации процессе обработ-ки на основе чувствительных элементов емкостного и индуктивного типа (рис. 5) [25].

В емкостных устройствах используется свойство емкости изменять своё реактивное сопротивление Z=RC- ]/(2% /0 С) при изменении величины проходящего через неё потока переменного электрического поля за счет изменения расстояния до поверхности диэлектрического материала, а в индуктивных устройствах - свойство индуктивности изменять своё реактивное сопротивление Z=i?^^+/'27t/¿Z, при изменении величины проходящего через неё потока переменного магнитного поля за счет изменения расстояния до поверхности ферромагнитного материала, где: Яс

- диэлектрические потери в материале и в проводниках емкости С на частоте/0, Яс

- магнитные потери в обследуемом материале и в проводниках индуктивности Ь на частоте /о. За счет этих свойств данные чувствительные элементы в диапазоне /о = 2.40 кГц на линейном участке динамического диапазона чувствительности обеспечивают точность измерения 0,5. .2,5 мкм при погрешности 0,5. .2,5%. ремещения в пределах 0,5-80 мм при разрешающей способности 0,05-8,0 мкм. Поэтому они используются также для измерения параметров вибрации. Глубина ¿1 проникновения вихревых токов в материал с проводимостью а и магнитной проницаемостью ¡л зависит от частоты /колебаний магнитного поля Н. Согласно формуле й = 1Д/;г/// сг, например, для немагнитных материалов на частоте /=1,5 МГц

А 7 при а = 0.65-10 См/м имеем с1 — 0,53 мм, при а= 10 См/м- ¿/=0,14 мм и при <т= 2,5-107 Сл*/л* - <1= 0,08 лш; на частоте/= 100 /г/ величина увеличивается в 100 раз. В силу этого на низких рабочих частотах вихретоковые чувствительные элементы могут применяться для контроля толщину листов и стенки труб, а также диаметра проволоки, прутков, роликов, а на высоких частотах - для контроля толщины различных видов проводящих и непроводящих покрытий на деталях из проводящего материала и проводящих покрытий на деталях из диэлектрического материала.

Основное достоинство вихретоковых чувствительных элементов заключается в возможности проведения динамического контроля различных видов поверхностных дефектов и структурных изменений материала заготовки, включая свойства толстых и тонких покрытий из различных материалов. С их помощью можно измерять проводимость немагнитных материалов, что позволяет контролировать количество примесей и химический состав; определять прочность и структуру поверхностных слоев материала при термообработке, что позволяет динамично управлять режимом этого техпроцесса; контролировать поверхностные остаточные напряжения; обнаруживать поверхностные дефекты в виде трещин, пустот и расслоений; определять физико-механические свойства и марки используемых материалов. В ряде случаев вихретоковые чувствительные элементы могут быть использованы для обнаружения и контроля размеров проводящих включений в материале диэлектрической заготовки.

Однако, вихретоковые чувствительные элементы реагируют на окружающую среду: масло, загрязнения, воду и электромагнитные поля. Они не могут быть использованы в качестве прецизионных профилометров, потому что площадь поверхности, пронизываемая переменным магнитным полем больше, чем у емкостных и индуктивных датчиков., и не позволяют обнаруживать дефекты и структурные изменения материала в толще заготовок и деталей с большими поперечными размерами из-за сильного затухания вихревого магнитного поля с ростом глубины проникновения в материал, особенно, с большой проводимостью а.

Для прецизионного бесконтактного контроля шероховатости обрабатываемой поверхности применяются оптические чувствительные элементы, действие которых основано на измерении величины и характера светорассеяния шероховатой поверхностью (рис. 7) [28]. 0,5

11

1в1

0,5

I*. 0,5

-20°

20" -20° в)

20° -20° г)

20°

Рис. 7. На (а) схематически изображен оптический датчик шероховатости типа

ИУМООБ фирмы «Ыоскг^ок:, где: 1 - светодиод ; 2 - линза, формирующая пучок света; 3 - светоделительное зеркало; 4 — объектив; 5 — обследуемый объект; 6 - матрица фотодиодов; 7 - микропроцессор; 8 — лучи рассеянного света. Кривые распределения рассеянного света на матрице фотодетекторов для поверхности, изготовленной шлифованием (б), точением резцом (в) и прокаткой (г). Устройство работает следующим образом: пучок света, испускаемый ИК- свето-диодом 1, фокусируется линзовой системой 2 и 4 на обследуемой поверхности заготовки 5. Световое пятно на этой поверхности обычно имеет размер около 0.75 лш, а в специальных случаях 0,05.2лш. В зоне светового пятна происходит рассеяние света 8. Угловая дисперсия интенсивности рассеянного света зависит от характера шероховатости. Рассеянный свет 8 с помощью светоделительного зеркала 3 направляется на линейку фотодиодов 6. Информационный сигнал по многоканальной линии передается в микропроцессор, где проводится анализ кривых распределения рассеянного света на матрице фотодетекторов (б), (в), (г) и рассчитывается коэффициент 5дг оптической шероховатости по формуле

N , «

8^{р2 ~ Р2)> гДе: Р' ~ интенсивность рассеянного света с исследуемой по

1=1 верхности, регистрируемая фотодиодом; р, — интенсивность света с контрольной поверхности, регистрируемая ьм фотодиодом; g- нормировочный множитель.

Различие качества шероховатости поверхности, изготовленных шлифованием, точением и прокаткой, отчетливо проявляется в характере светорассеяния (рис. 7,б,в,г). Так оптические характеристики шероховатости ¿V шлифованной и точеной поверхности различаются незначительно, но от прокатанной поверхности

I % они отличаются значительно. В тоже время кривые распределения света вдоль линейки фотодиодов для всех случаев обработки различаются друг от друга существенно.

Однако, оптические датчики шероховатости очень чувствительны к загрязнению обрабатываемой поверхности, а обследуемая деталь должна изготавливаться из материала с высокой отражающей способностью света.

Неразрушающий контроль одновременно размеров, структуры материала, а также обнаружение различных производственно-технологических дефектов при шероховатости исследуемой поверхности более 0,1 мкм обеспечивают автоматизированные системы на основе ультразвуковых дефектоскопов и толщиномеров [29, 30]. Они работают на принципе определения расстояния до обследуемого объекта- как произведение заданной скорости звука в звукопроводящей среде на половину времени распространения звука, до обследуемого объекта и обратно. Время, определяется либо с помощью эхо-импульсных методов путем измерения интервала времени между посылкой и приемом импульсного звукового сигнала, либо с помощью частотно-модулированных методов путем измерения разностной частоты между моментами посылки и приема звукового сигнала, частота которого периодически изменяется, например, по линейному закону.

В' качестве звукопроводящей среды используется жидкость или твердый материал. При этом обследуемый объект, а также источник и приемник ультразвука, погружаются в жидкость — установки иммерсионного типа, либо источник и приемник звука устанавливаются на поверхности объекта, а жидкость удерживается силами поверхностного натяжения в тонкой щели между ними - установки щелевого типа, либо между ними располагается промежуточный контактный слой в виде пленки вязкой жидкости - установки контактного типа (рис. 8).

Качество обработки информационных сигналов зависит от пространственно-временной характеристики ультразвуковых импульсов. Ультразвуковые импульсы должны быть максимально короткими по длительности, а их передний фронт - максимально крутым. При этом фронт звуковой волны должен быть максимально плоским, а уширение диаграммы направленности звукового пучка из-за действия дифракционных явлений должно быть минимальным. Эти эксплуатационные параметры в основном определяются параметрами электромеханических преобразователей, используемых в ультразвуковых излучателях и приемниках. а) б) в)

Рис. 8. На (а) схематически изображена ультразвуковая установка иммерсионного типа; (б) - установка щелевого типа; (в) - установка контактного типа. Здесь введены обозначения: 1 — пьезоэлектрический элемент; 2 — протектор, который служит для согласования импеданса материала пьезоэлемента и жидкости; 3- демпфер для подавления паразитных звуковых волн; 4- корпус пьезопреобразователя; 5 — изолятор, электрически отделяющий корпус от демпфера, соединенных с электродами на поверхности пьезоэлемента; 6 -исследуемый объект, 7 — дефект, 8- жидкость в качестве звукопроводящей среды, 9— емкость с жидкостью, в которую погружаются пьезоэлементы и исследуемый объект; 10 — прямые и отраженные звуковые лучи; 11 — система для излучения зондирующих импульсов, их приема и обработки информации. В иммерсионных установках между поверхностями пьезоэлектрических преобразователей излучателя или приемника и исследуемым объектом имеется слой жидкости, толщина которого во много раз превышающей длину А звуковой волны в жидкости. В щелевых установках между пьезоэлектрическим преобразователем и исследуемым объектом имеется тонкая щель порядка длины звуковой волны, в которой жидкость удерживается силами поверхностного натяжения. В контактных установках поверхность пьезоэлемента прижимается к поверхности исследуемого объекта, предварительно смазанной жидкостью (маслом, глицерином). В случае, когда поверхность исследуемого объекта имеет большую шероховатость или неровности, слой жидкости заменяют эластичным звукопроводящим материалом (резина).

Наибольшее распространение в современных приборах ультразвуковой диагностики получили пьезоэлектрические преобразователи. В них под воздействием переменного механического напряжения или деформации кристаллической решетки возникает переменная электрическая поляризация, величина и знак которой зависит от направления и значения приложенного механического напряжения. Это явление называется прямым пьезоэлектрическим эффектом и используется в ультразвуковых приемниках. Если к поверхности пьезоэлемента приложить переменное напряжение, то он будет попеременно сжиматься и растягиваться, генерируя механические колебания. Это явление называется обратным пьезоэлектрическим эффектом и используется в ультразвуковых излучателях.

Пьезоэлементы обычно имеют форму плоскопараллельной пластины круглой или прямоугольной формы. Поперечные размеры пластины должны быть значительно больше длины волны звука в пьезоэлектрическом материале - обычно в 10-30 раз больше, а ее толщина из условия резонанса должна быть равна Л/2. В качестве материала электродов в основном используют серебро и никель. В качестве материала пьезоэлемента обычно используют пьезокерамику, например, ЦТС-19. Соотношение между размерами площадей поверхности пьезопластины, покрытых электродами и свободных от них, оказывает существенное влияние на его добротность и, следовательно, на ширину рабочей полосы частот элемента. При этом регулируя размер электродов, можно в довольно широких пределах менять характеристики акустического поля путем сужения или расширения1 лепестка диаграммы излучения. В' ряде случаев активной' поверхности пьезоэлемента придают форму сферической или цилиндрической поверхности. Часто эту конфигурацию-поверхности придают акустической линзе, располагаемой на плоской поверхности пьезоэлемента. Фокусное расстояние Р в этих случаях равно радиусу Я кривизны, излучающей' поверхности. За* счет этого обеспечивается сужение акустического поля в некоторой области контролируемого объекта.

По способу конструктивного исполнения пьезоэлектрические преобразователи бывают раздельными, состоящими из излучателя, соединенного с генератором импульсного напряжения, и приемника, соединенного с усилителем; совмещенными, в которых пьезоэлемент используется попеременно для излучения и приема ультразвуковых волн; раздельно-совмещенные, в которых рядом расположены пьезоэлемент для излучения' и пьезоэлемент для приема. Все данные типы акустических преобразователей имеют фиксированную конфигурацию лепестка диаграммы направленности излучения и приема ультразвуковых волн, задаваемую их конструкцией и размерами используемого пьезоэлемента.

Современные конструкции дефектоскопов позволяют обнаруживать производственно-технологические дефекты размером до 0,05 мм1 при точности определения их местоположения до 10.25 мкм. С помощью толщиномеров измеряются размеры листового и профильного проката с точностью до 5. 15 мкм [30].

В новых типах автоматических систем диагностики дефектов размером до л

0,005 мм во всем объеме материала исследуемого объекта с точным измерением их местоположения до 2.5 мкм применяются контактные ультразвуковые чувствительные элементы, в измерительной головке которых используется матричные пьезоэлектрические преобразователи, образующие фазовую дифракционную решётку из приемно-передающих ультразвуковых пьезоэлементов. Отметим, что в ряде случаев устройства на основе акустической фазированной решетки применяются для бесконтактной точной фиксации момента касания.

Различают плоские матричные, круговые сегментные и линейные акустические решетки (рис. 9, а). На практике наибольшее распространение получили акустические решетки, которые представляют собой набор пьезоэлементов одинакового типа, которые установлены равномерно на общем-протекторе вдоль одной линии и-развязаны между собой электрически и акустически (рис. 9, в). Как- и в обычных конструкциях пьезопреобразователей (рис. 8), каждый пьезоэлемент в решетке демпфируется, чтобы подавить паразитную реверберацию ультразвуковых волн. В'сущности, акустическая решетка является набором независимых преобразователей, конструктивно объединенных в одном корпусе. Общее число элементов в решетке от 8 до 256 и более. Каждый пьезоэлемент имеет прямоугольную форму. При этом их ширина имеет такие же направленные свойства, как и обычный преобразователь того же размера, т.к. равна от 20 до 40 длин А звуковой волны. В- поперечном же направлении каждый элемент имеет размер (апертуру) соизмеримую или меньше А. Физический размер апертуру составляет от единиц до десятых долей миллиметра в зависимости от рабочей частоты f, назначения и варианта конструкции [31].

Основным отличительным свойством малоапертурного преобразователя является формирование широкой диаграммы направленности, симметричной относительно оси апертуры, для нескольких типов излучаемых ультразвуковых ленности продольной волны сужается, за счет чего проявляется свойство фазированных решеток излучать и принимать сигналы продольной волны в диапазоне углов до ± 55°.

В акустической решетке путем управления моментом последовательного подключения пьезоэлементов со сдвигом по фазе А<р, осуществляемое с помощью электронных фазовращателей, можно сдвигать относительно друг друга время возбуждения каждого элемента в решетке. At = A(p/(lnf) ( f - частота зондирующего сигнала) и, следовательно, время излучения ультразвуковых импульсов каждым элементом. За счет согласованной совместной работы всех элементов в решетке удается управлять диаграммной направленности излучения и приема информационного сигнала в пределах некоторого диапазона углов и фокусных расстояний F. Угол направленности лепестка диаграммы излучения задается выражением у = arc sin (A- Atp / (2nd ).

В-случае, когда в решетке ультразвуковые элементы-располагаются линейно в один ряд, управление направленностью и фокусным расстоянием F осуществляется в одной' плоскости. Если элементы располагаются в- виде двумерной матрицы, то управление направленностью и F осуществляется в трех измерениях.

Угол и фокусное расстояние можно изменять при- каждом повторении зондируюi щего ультразвукового импульса. Причем за счет фокусировки звуковой волны существенно увеличивается чувствительность преобразователя в виде фазированной решетки.

На практике используются линейный и фокусирующий способы фазировки. При линейной фазировке на возбуждающие импульсы напряжения подаются на линейку пьезоэлементов с линейно нарастающей от элемента к элементу задержкой, что обеспечивает формирование наклонного луча излучения или приема без его фокусировки в пространстве с суммарной диаграммой направленности. Линейная фазировка оптимальна для дальней зоны зондирования пространства, соответствующей расстоянию более десяти апертур. Такой способ зондирования пространства позволяет формирование образов сечений исследуемого объекта наиболее производительно, достигающее более 100 кадров в секунду. Но на меньших расстояниях этот способ зондирования имеет плохое разрешение и малую чувствительность. При фокусировке луча излучения относительная задержка зондирующих сигналов формируется по параболическому закону, за счет чего обеспечивается синфазное сложение в одной точке пространства энергии излучения ультразвуковых импульсов от всех элементов решетки. Этот способ обеспечивает наилучшие результаты по пространственному разрешению, но его производительность существенно ниже, чем в линейном варианте, достигая не более 10 кадров в минуту.

В исследуемых объектах практически из любых материалов с помощью описанных выше ультразвуковых систем контроля при применении апробированных акустических методов диагностики: «эхо-импульсного», теневого, «тандем -эхо-импульсного», «зеркального» и пр., - можно обнаруживать поверхностные и внутренние дефекты. Эти дефекты могут представлять собой нарушение сплошности в виде инородных включений, раковин, пористости, расслоений, трещин5; зон с коррозионным поражением, усталостные трещины, а также неоднородность структуры в виде зон с измененной величиной кристаллитов, излишней или недостаточной графитизацией - пространства между кристаллитами, изменения структуры» в результате термической обработки и под воздействием больших нагрузок. Также с помощью акустических методов можно проводить контроль физико-механических свойств материала: скорость распространения и затухание упругих волн, модуль упругости и сдвига, коэффициент Пуассона, прочность и твердость. В последнее время эти методы с успехом используются для изучения кинетики начальной стадии разрушения исследуемых объектов, т.к. позволяют контролировать зоны концентрации растягивающих и сжимающих напряжений.

Важным преимуществом акустических методов диагностики является возможность их применения для контроля производственно-технологических дефектов в элементах машин в условиях эксплуатации, особенно в тех случаях, когда требуется обеспечить долговременную надежность работы машин и устройств ответственного назначения.

К преимуществам контроля акустическими методами относятся высокая чувствительность, позволяющая выявлять мелкие дефекты размером до 0,05 мм при точности определения-их местоположения до 10.25 мкм, измерять размеры листового и профильного проката с точностью 5. 15 мкм, большая проникающая способность, практически мгновенная индикация дефектов, возможность контроля при одностороннем доступе к исследуемому объекту, простота и высокая производительность контроля, полная безопасность работы оператора и окружающего персонала [30; 31].

Однако контактные типы: ультразвуковых устройств не применимы для проведения контроля движущихся объектов;. В? частности,. они не применимы для контроля технологического процесса во время-обработки на станках с ЧПУ

В/современном производстве;применяются только узкоспециализированные автоматизированные системы бесконтактного контроля; в которых преимущественно используются акустические измерительные устройства иммерсионного и. щелевого типов; Они применяются для контроля« качества готовой продукции в виде профильного металлического проката. ••','■'

В настоящее, время подобные типы автоматизированных систем бесконтактного контроля начинают использоваться* для управления' технологическим процессом.при прокате труб, прутков, лент из металла и пластмассы. При «холодном» и «горячем» (до 650°С) прокате- применяются, автоматизированные системы бесконтактного контроля на основе УЗ'устройств иммерсионного типа, в которых для повышения качества контроля в основном используются акустические линейные фазированные решетки с линейным принципом фазировки (рис. 10). В этих установках выводу, масло, расплавленную соль погружают УЗ источник и приемник, а контролируемый объект движется межу ними со скоростью до 2 м/с. Точность измерения практически такая же, как в случае применения обычных высокоточных контактных дефектоскопов [30] .

В ряде конструкций этих диагностических устройств с целью достижения большей разрешающей способности при обнаружении дефектов и для повышения точности измерения геометрических параметров проката используются акустические линейные и двумерные матричные решетки, обеспечивающие не только сканирование диаграммы направленности звукового пучка, но и её фокусную фази-ровку в области с размером 2.5 длин звуковой волны. I

10 11

12 10

СИ ■От Лз 1 I-1 Ген 1 Лг

Лз 2 Ген 2 Лг

ЛзЫ і-1 ГенИ

Дисплей

Вычислительное устройство

АЦП в)

14

Рис. 10. На (а) схематически изображена иммерсионная камера (5), заполненная масс-лом (4). В камере по окружности размещены шесть сегментных блоков (1) акустических фазированных решеток. Каждая решетка содержит 128 элементов (2). Система предназначена для контроля металлических прутков и труб (3) диаметром до 300 мм, которые проходят через иммерсионную камеру. На (б) схематически изображен блоков (1) акустических фазированных решеток, Состоящих из малоапертурных пьезоэлементов (2). Каждый пьезоэлемент состоит из демпфера (6) и пластины пьезокерамики (7). Возбуждающие и информационные сигналы вводятся/выводятся с помощью многожильного кабеля (8). На (в) приведена функциональная схема устройства, где : (9) - генератор синхроимпульсов; (10) - электрически управляемые линии задержки; (11)-генераторы возбуждающих импульсов; (12) - усилители напряжения; (13) -усилитель-сумматор; (14) - аналогово-цифровой преобразователь.

При «горячем» (до 1200 С) прокате применяются весьма интересные по своим возможностям автоматизированные системы бесконтактного контроля на основе акустооптических устройств (рис. 11) [32]. В этом случае на поверхность проката воздействуют мощным импульсом инфракрасного света лазера, который возбуждает УЗ импульс в материале исследуемого объекта. Ультразвуковой импульс, отразившись от тыльной поверхности исследуемого объекта или дефекта проводилось с помощью программных продуктов «МаШета^с-у.З.О», «МаИ,аЬ-у.6.0», «8рес1га-ЬаЬ».

Научная новизна работы.

1. Обоснована и разработана автоматизированная система контроля материала, размеров и параметров вибрации на основе струйного акустического, чувствительного элемента, позволяющая повысить качество контроля технологического процесса механической обработки деталей из различных материалов на станках с ЧПУ.

2. Разработана модель гидродинамических процессов.в симметричном, плоскопараллельном потоке идеальной жидкости с криволинейными границами, применимая для оценки оптимальной геометрии гидроканалов в, струйном акустическом чувствительном элементе для автоматизированной системы контроля материала, размеров и параметров вибрации.

3. Разработана модель прохождения низкочастотных и высокочастотных звуковых волн в симметричном' плоскопараллельном потоке идеальной жидкости с криволинейными «жесткими» и «мягкими» границами, применимая» для оптимиг зации процесса передачи, информационных сигналов- в струйном акустическом, чувствительном элементе для автоматизированной системы контроля* материала, размеров и параметров вибрации.

4. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены принципы автоматизированного контроля размеров, вибрации и дефектов материала заготовки апробированными акустическими- методами измерения с применением струи жидкости.

Практическая значимость работы. 1. Разработанные принципы построения, автоматизированной системы контроля материала, размеров и вибрации на основе струйного акустического, чувствительного элемента применимы при токарной обработке для измерения размеров с точностью 1-5 мкм, для фиксирования дефектов с поперечным размером до 0,01 мм2 при определения местоположения с точностью 5-25 мкм и для регистрирования вибрационных колебаний амплитудой 1-20 мкм в полосе 0,1-25000 Гц.

2. Разработана базовая конструкция струйного акустического, чувствительного элемента для автоматизированной системы контроля материала, размеров и параметров вибрации, защищенная патентом.

3. Разработанный метод и программы моделирования гидродинамических процессов в криволинейном: потоке жидкости применимы; для расчета и оптимизации геометрии гидравлических каналов в других типах струйных чувствительных элементов:в цепях обратной связи:автоматизированных систем контроля качества.

4. Разработанные методы> и; программы моделирования распространения низкочастотных и высокочастотных звуковых волн в жидкой и твердой среде: применимы для расчета параметров в: других типах струйных акустических чувствительных элементов-для. цепей обратной* связи! автоматизированных систем контроля качества.

5. Разработанная автоматизированная система контроля- качества применима в различных типах станков: с ЧЕРУ.

Внедрение результатов;.

Результаты работы используются в НИОКР «Автоматизация- технологических процессов с применением бесконтактных, высокоточных измерительных устройств для- контроля физико-технических и геометрических параметров поверхности детали ири механической обработке» (ГК № 7379р/10164 от 28.12. 2009 г.). Ряд результатов используются в НИР «Обеспечение качества прецизионной обработки на основе: оперативного мониторинга и оптимальной настройки сложного технологического оборудования в автоматизированном производстве» по Гранту Президента РФ для государственной поддерж:ки молодых Российских учёных МД-7455¡2010.8, а.также в НИР «Разработка широкополосных гидроакустических технологий и аппаратуры для гидрологических и океанологических исследований» (ГК №14.740.11.0645 от 05.10. 2010 г. Получены соответствующие, акты использования результатов диссертации.

Апробация; результатов исследования.

Основные результаты диссертации докладывались на международных научно-технических конференциях: «Математические методы в технике и технологиях», ММТТ-21, Саратов, 2008/ ММТТ-22, Псков, 2009/ ММТТ-23, Саратов, 2010, и на отечественных научно-технических конференциях: III и IV конференциях молодых учёных РФ «Наноэлектроника, нанофотоника, й нелинейная физика», СФ ИРЭ РАН, Саратов, 2008/ СФ ИРЭ РАН, Саратов, 2009; Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности механообработки на основе моделирования, физических явлений», Рыбинск, 2009; Всероссийской научно-практической конференции молодых учёных «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий», Саратову. 2009 и 2010, а также на научных семинарах кафедры «КиМО» СЕТУ.

Публикации;

Основные результаты диссертации опубликованы в 30; работах^, в том числе 4 статьи в журналах из списка ВАК и один патент РФ.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Разработанные принципы построения- автоматизированной? системы* контроля^ материала, размеров'и параметров вибрации на основе струйного акустического, чувствительного элемента позволяют повысить качество контроля5 технологического процесса.механической обработки деталей из различных материалов.

2. Модель, гидродинамических процессов! в симметричном, плоскопараллельном потоке идеальной жидкости с криволинейными границами применима для оценки оптимальной геометрии гидроканалов в струйного акустического, чувствительного элемента.

3. Модель прохождения низкочастотных и высокочастотных звуковых волн в симметричном плоскопараллельном потоке идеальной жидкости с криволинейными «жесткими» и «мягкими» границами применима для оптимизации процесса передачи информационных сигналов в струйном акустическом чувствительном элементе для автоматизированной системы контроля материала, размеров и параметров вибрации.

4. Разработанная функциональная схема и модель автоматизированной системы контроля материала, размеров и параметров вибрации, применимая к токарным станкам.

5. Практическая реализация схемы автоматизированной системы контроля материала, размеров и параметров вибрации на токарном станке.

Структура работы;

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Она изложена на 131 страницах, включая 48 рисунка, 4 приложения и списка литературы из 82 наименований.

Во введенииобосновывается актуальность темыработы; определены цели,, задачи, методы и средства исследования; отмечается достоверность результатов работы; показана научная новизна и практическая значимость выполненных исследований; сформулированы положения, выносимые на защиту; приведены све- . дения о реализации и апробации работы, публикациях и структуре диссертации.

В первой/главе сделан вывод, что на станках с ЧПУ качественное изготовление деталей сложной формы из трудных в обработке материалов можно реализовать при использовании систем адаптивного управления технологическим процессом обработки- с применением автоматизированной системы контроля материала, размеров и вибрации. Анализ, перечисленных параметров- проводится в процессе: обработки заготовки с применением гидроструйно-акустических методов измерения. По результатам данных исследований применительно к токарным станкам с ЧПУ предложены-принципы построения« подобной; автоматизированной системы контроля материала, размеров и вибрации, а также принципы построения струйного акустического, чувствительного элемента в её цепях обратной связи. На основе этих принципов построения разработана функциональная схема автоматизированной системы контроля материала, размеров и вибрации.

Во второй главе приведенырезультаты теоретических исследований гидродинамических и акустических процессов, обоснующие предлагаемые принципы построения струйного акустического чувствительного элемента.

Анализ гидродинамических процессов проводился с помощью разработанной методики решения стационарной гидродинамической задачи для симметричного плоскопараллельного потока идеальной жидкости с криволинейными «жесткими» и «мягкими» границами. С его помощью изучены условия реализации ламинарного течения жидкости в подводящих каналах, рабочей камере, выходном сопле и струе исследуемых акустических устройств, что позволило определить оптимальную геометрию гидравлических каналов предлагаемых устройств.

Разработанный метод математического моделирования процессов прохождения низкочастотных объемных звуковых волн в плоскопараллельном потоке идеальной жидкости с криволинейными «жесткими» и «мягкими» границами основывается на положениях теории Гуревича-Хаскинда по применению приближения «малого возмущения». С помощью этого метода получена передаточная функция, связывающая амплитуду вибрации поверхности, на которую падает струя жидкости, с амплитудой гидравлического давления на стенках канала сопла и рабочей камеры струйного акустического чувствительного элемента.

При разработке методов математического моделированияпроцессов распространения-ультразвуковых волн в заполненном жидкостью цилиндрическом акустическом волноводе с. переменным сечением ■ и «мягкими» и «жесткими» стенками использованы хорошо апробированные на практике метод частичных областей и теория ортогональных волновых функций. С их помощью проведена оценка параметров струйных акустических устройств для измерения размеров, и дефектоскопии материалов, в которых ультразвуковая? волна передается между исследуемым объектом и пьезоэлектрическим1 преобразователем через струю жидкости.

В третьей главе приведены основные результаты экспериментальных исследований гидродинамических и акустических процессов, доказывающие адекватность разрабатываемых математических моделей и предлагаемых физических моделей струйных акустических измерительных устройств. Экспериментальное изучение рабочих параметров исследуемых струйных измерительных акустических устройств проводится на основе разрабатываемых лабораторных макетов с применением современной измерительной аппаратуры, Изучение методик измерения- размеров и дефектоскопии материала с помощью лабораторных макетов проводится в соответствии с типовыми методиками, разработанными для про-мышленно выпускаемых типов измерительной ультразвуковой аппаратуры.

В четвертой главе приведены принципы построения функциональных узлов гидроакустического блока струйного акустического чувствительного элемента, реализующих контроль материала, размеров и вибрации. На основе этих принципов построения проводится обоснование функциональных возможностей данных узлов.

В этой же главе приведены результаты экспериментальной проверки применимости известных ультразвуковых методов контроля размеров и вибрации при механической обработке. Данные исследования проведены с помощью физической модели разрабатываемой автоматизированной системы контроля технологического процесса, в цепи обратной связи которой был использован макет струйного акустического, чувствительного элемента. Проверка проверена на ряде типов современных токарных станков.

В заключении даны основные выводы и положения, выносимые на защиту, сделанные по результатам теоретических и экспериментальных исследований.

1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ БЕСКОНТАКТНОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРИ ОБРАБОТКЕ НА ТОКАРНОМ СТАНКЕ С ЧПУ [67, 70, 71, 74, 75, 78> 19] 80]

Во введении отмечено, что заготовки деталей из материалов специального назначения трудно обрабатываются методами лезвийного точения. В этой связи задача производства высоконадежных деталей из данных материалов должна решаться за счет совершенствования технологических методов изготовления в сочетании с методами высокопроизводительного, высокоточного контроля размеров, вибрации и структуры материала в процессе механической обработки [13-16].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении изложим основные результаты исследований и положения, полученные в диссертационной работе

1. Разработаны принципы построения и обоснованы функциональные возможности нового типа автоматизированной системы бесконтактного контроля параметров технологического процесса с чувствительным струйным акустическим элементом в цепях обратной связи, обеспечивающей при лезвийной обработке на станках с ЧПУ:

- обнаружение различных видов производственно-технологических дефектов и изменений структуры различных материалов, включая материалы специального применения, с определением их местоположения в объеме исследуемого объекта;

- высокоточное измерение геометрических параметров внешних и внутренних поверхностей исследуемого объекта;

- точное измерение амплитудно-частотных характеристик вибрации в заданной точке на поверхности'исследуемого объекта.

2. Разработанная автоматизированная система" бесконтактного контроля технологического процесса при токарной обработке позволяет:

- измерять размеры с точностью 1. 10 мкм (показано теоретически),.

- обнаруживать дефекты до 0,01' мм с точностью определения местоположения' 5.25 мкм на расстоянии до 1000 мм (показано теоретически и экспериментально),

- регистрировать вибрационные колебания-поверхности амплитудой 2,5.35 мкм в полосе 0,1. .25000 Гц (показано теоретически и экспериментально).

3. Разработаны принципы построения гидроакустического блока чувствительного струйного акустического элемента на основе передачи соответствующих информационных сигналов через струю жидкости с помощью низкочастотных, объемных волн давления, а также с помощью продольных и поперечных ультразвуковых волн,. На их основе разработана конструкция данного гидроакустического блока, которая является новой, базовой. На её основе возможна разработка новых типов струйных акустических измерительных устройств.

4. Разработан метод и программы теоретического моделирования гидродинамических процессов в симметричном, плоскопараллельном потоке идеальной жидкости с криволинейными границами. В разработанной методике используется подход решении гидродинамических уравнений Эйлера на основе теории конформных преобразований комплексных аналитических функций с применением метода Жуковского решения гидродинамических задач с жесткими и свободными границами. С помощью разработанного метода проведен расчет геометрии гидроканалов прямоугольной и цилиндрической формы и ленточных и цилиндрических струй жидкости в чувствительном струйном акустическом элементе, а также распределение скорости течения жидкости в их объеме. Показано, что устойчивость течения жидкости в гидроканалах и в струе обеспечивается для отношения длины струи к поперечному размеру выходного канала сопла меньше трех при средней скорости её течения 1,0.7,5 м/с. При этом радиус скругления стенок гидроканалов должен* быть в 1. .2 раза больше их поперечного сечения. Данная методика решения, гидродинамических уравнений Эйлера для идеальной жидкости применима для оценки оптимальной геометрии криволинейных гидроканалов, в других < типах струйных акустических измерительных устройств.

5. Разработаны методы и< программы-моделирования прохождения ультразвукоI вых волн в симметричном плоскопараллельном и цилиндрическом потоке идеальной жидкости с криволинейными «жесткими» и «мягкими» границами. При разработке данных методов, использованы апробированные на практике метод частичных областей и теория ортогональных волновых функций, с помощью которых получены матрицы передачи для потенциальной функции скорости. С помощью разработанных методов и программ проведена оптимизация параметров акустического канала чувствительного струйного акустического элемента, обеспечивающие передачу ультразвуковых импульсов через струю жидкости с минимальными дифракционными потерями.

6. Разработана теоретическая модель для описания прохождения низкочастотных, объемных волн давления в симметричном, плоскопараллельном потоке идеальной жидкости с криволинейными «жесткими» и «мягкими» границами на основе положений теории «малого возмущения» стационарного течения идеальной жидкости. Получена передаточная функция, связывающая амплитуду вибрации поверхности, на которую падает струя жидкости, с амплитудой гидравлического давления на стенках канала сопла и рабочей камеры струйного акустического чувствительного элемента. С помощью разработанной модели изучена возможность контроля амплитудно-частотных параметров вибрации поверхности исследуемого объекта в процессе механической обработки.

7. С помощью разработанных физических моделей гидроакустического блока чувствительного струйного акустического элемента и разработанного макета автоматизированной системы бесконтактного контроля параметров технологического процесса показана возможность обнаружения дефектов в плоских и цилиндрических заготовках из различных материалов, а также проводить контроль линейных размеров и параметров вибрации поверхности цилиндрической заготовки в процессе-механической обработки на токарном станке, с помощью апробированных акустических «эхо-импульсного», «на проход» и «теневого» методов измерения с применением- продольных волн путем передачи соответствующих информационных сигналов через струю жидкости.

8. Разработанные в работе гидродинамические и акустические модели и методы по расчету параметров струйных акустических приборов могут быть использованы в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности «Металлообрабатывающие станочные комплексы» и бакалавров и магистров по направлению «Технология и автоматизация машиностроительных производств» в Саратовском государственном техническом университете. Полученные в диссертации теоретические и практические результаты используются при выполнении НИОКР «Автоматизация технологических процессов с применением бесконтактных, высокоточных измерительных устройств для анализа и контроля физико-технических и геометрических параметров поверхности детали при механической обработке», выполняемой по планам фундаментальных и поисковых прикладных работ Федерального фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. Использование результатов диссертации позволило в данной НИР сократить плановые сроки разработки аналогичных научно-технических задач на 12-24 месяцев. Полученные в работе результаты могут быть рекомендованы для внедрения на станкостроительных предприятиях, изготавливающих специализированные станки для авиационной, транспортной и энергетической промышленности.

1. Цитируемая литература

2. Блантер М.Е. Металловедение и термическая обработка: Учебник для вузов/; Под ред. Фрид Л. И. М.:МАШГИЗ, 1963. - 416 с.

3. Нилендер Р.А. Свойства и применение металлов и сплавов для электровакуумных приборов: Справочное пособие / Р.Т. Андреева, С.И. Платова и др.; Под ред. Нилендер Р:А. М.: Энергия, 1973. — 336 с.

4. Подураев В.Н. Резание труднообрабатываемых материалов: Учеб. пособие для вузов / В.Н. Подураев. — М.: Высшая школа, 1974. — 587 с.

5. Кривоухов В.А. Обработка резанием титановых сплавов / В.А.

6. Кривоухов^ А.Д. Чубаров. — М.: Машиностроение, 1970 — 182 с.1

7. Штучный Б.П. Механическая*обработка пластмасс: Справочник / Б.П. Штучный. — М:: Машиностроение, (1987 — 150 с.

8. Подураев В.Н. Обработка резание жаропрочных и нержавеющих материалов / В:Н.,Подураев. — М.:.Высшая школа,. 1965; — 518 с.

9. Рыжкин A.A. Физические основы, обработки материалов- резанием: Учеб. пособие / A.A. Рыжкин, B:G. Дмитриев и др: — Ростов-на-Дону: изд. Цент ДГТУ, 1996. 354 с. /

10. Колев К.С. Точность обработкшшрежимы резания / К.С. Колев. — М.: Машиностроените, 1968. — 132 с.< ;9: Маталин A.A. Точность механической обработки / А.А-. Маталин. — Л.: Машиностроените, 1977. — 464 с. .

11. Эбелинг В: Образование структур при необратимых процессах / В. Эбелинг М.: Мир, 1979. - 279 с/

12. Ящерицын П.И. Технологическая наследственность в машиностроении / П.И. Ящерицын, Э.'В. Рыжов, В.И. Аверченков. Минск. Наука и техника, 1977.- 256 с. |

13. Михеев Ю.Е., Сосонкин В.Л. Системы автоматического управления станками. — MI: Машиностроение, 1978. — 264 с.

14. Полетаев В.А. Технология автоматизированного производства лопаток газотурбинных двигателей / — М.: машиностроение. 2006. — 256 с.

15. Тверской М.М. Автоматическое управление режимами обработки деталей на станках. М.: Маши; юстроение, 1982. - 208 с.

16. Бесекерский В. А. Теория систем автоматического регулирования/ В.

17. A. Бесекерский, Е. П. Попов. СПб.: Профессия, 2003. - 752с.

18. Активный контроль размеров. / Под ред. С.С. Волосова. М.: Машиностроение, 1984.-224 с.

19. Воронцов Л.Н. Приборы автоматического контроля в машиностроении /Л.Н. Воронцов и др. М.: Машиностроение, 1988. - 280 с.

20. Бржозовский Б.М:. Точность' и надежность автоматизированных прецизионных металлорежущих станков. 4.1. /Б.М. Бржозовский,

21. B.А. Добряков; A.A. Игнатьев и др. Саратов: СГТУ, 1992. - 160 с.

22. Бржозовский Б.М:. Точность и надежность автоматизированных прецизионных металлорежущих станков. Ч. 2. / Б.М. Бржозовский, В.А. Добряков, A.A. Игнатьев и др. Саратов: СГТУ, 1994. - 156 с.

23. Бржозовский Б:М„ Динамический мониторинг технологического оборудования: Монография / Б.М. Бржозовский, В:В. Мартынов, И.Н. Янкин, М.Б. Бровкова. Саратов: СГТУ, 2008. - 312 с.

24. Приборы и системы для измерения вибраций,- шума и удара: Справочник. В:; 2-х. т. Т. 27 Под ред. В.В. Клюева — М.: Машиностроение, 1978.-453 с

25. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова, Е.В. Пьезоэлектрические датчики / В.М. Шарапов, М П: Мусиенко, Е.В. Шарапова. М.: изд. «Техносфера», 2007. - 670 с.

26. Коломийцов Ю. В: Интерферометры: основы, инженерной теории и применение 7 ЮгВі.Коломийцові Л.: Машиностроение; 1976: - 486?с.

27. Васильев Ві Н: Компьютерная обработка сигналов в приложении к интерферометрическим системам / В.Ні Васильев, И.П. Гуров. СПб.: БХВ - Санкт-Петербург, 1998. с. 80.

28. Тиль Р. Электрические измерения неэлектрических величин / Р. Тиль. -М.: изд. Энергоатом, 1987. 193 с.

29. Неразрушающий контроль металлов и изделий. Справочник / П.И. Беда, Б.И. Выборной, Ю.А. Глазков и др.; Под ред. Г.С. Самойловича.- М.: Машиностроение, 1976. 280 с. .

30. Приборы, для неразрушающего контроля материалов и изделий: справочник. / Под ред. В.В. Клюева. — М.: Машиностроение, 1986.— 352 с.

31. Катыс Г.П. Оптико-электронная обработка информации / Г.П. Катыс.- М.: Машиностроение, 1973. 447 с.

32. Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля / И.Н. Ермолов, — М.: Машиностроение, 1981. — 240 с.

33. Молотков C.JI. Новинки от Hill «Алтек»: для удобства и достоверности УЗК / C.JI. Молотков, A.B. Курков, С.О. Прохоров. В мире НК. 2006. №3(33).-С. 54-56.

34. Михайлов И.И. Применение ультразвуковых фазированных решеток в автоматизированных и механизированных системах НК / Н.И. Михайлов. В мире НК. 2006. № 3 (33). - С. 13-16.

35. Кляйн М., Лазерная ультразвуковая диагностика бесшовных труб в режиме реального времени / М. Кляйн, Т. Боденхамер, Э. Райта и др. -В мире НК. 2006. № 3 (33). С. 32-36.

36. Аршанский М.М., Щербаков В.П. Вибродиагностика и управление точностью обработки на металлорежущих станках. / М.М. Аршанский, В.П. Щербаков -М.: Машиностроение, 1988. — 136 с.

37. Активный-контроль размеров. / Под ред. С.С. Волосова. М.: Машиностроение, 1984. - 224 с.

38. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. / Л. Бергман. -Mi: ИЛ, 1957.- 564 с.

39. Колесников А.Е. Ультразвуковые измерения. / А.Е. Колесников Mi: изд. Стандартов, 1970. - 344 с.

40. Кочин Н.Е. Теоретическая гидромеханика, Ч. 2 / Н.Е. Кочин, И.А. Ки-бель, HU3. Розе М".: Физматгиз, 1963. - 585 с.

41. Седов Л. И. Плоские задачи гидродинамики и аэродинамики. / Л. И. Седов М: Наука, 1980; с. 199:

42. Гуревич М.И. Теория струй идеальной жидкости / М.И. Гуревич . М.: Наука, 1979, 588 с.

43. Лаврентьев М. А. Методы теории функций комплексного переменного: учебное пособие для ун-тов. / М. А. Лаврентьев, Б. В. Шабат — М.: Наука, 1987, -688 с.

44. Кузнецов А. В'. Нестационарные возмущения течений жидкости со свободными границами / А. В. Кузнецов Казань: изд. Казанского госуниверситета, 1975. - 248 с.

45. Рабинович Е.З. Гидравлика:/ Е.З. Рабинович, А.Е. Евгеньев. М.: Недра, 1987.-225 с.

46. Рэлей Д. Теория звука. Т.1, 2/ Д. Релей М.: Гостехиздат, 1955,- 978 с.

47. Скучик Е. Основы акустики. Т.1, 2/ Е. Скучик.- М.: Мир, 1976.-1062 с.

48. Каневский И.Н. Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн. / И.Н. Каневский -М.: 1977. 336 с.

49. Боровиков В^А. Геометрическая теория дифракции. / В.А. Боровиков, Б.Е.Кинбер . М.: Связь, 1978.-248 с.

50. Данилов В.Н. К оценке эхо-сигналов от двухгранных углов в образцах с цилиндрическими поверхностями; / В.Н. Данилов: Дефектоскопия. 2007. № 7. С. 35 42.

51. Дьяконову В. П. Математика 4.1/4.2/5.0 в; математических и научно-технических расчётах/ В-П. Дьяконов.- М.: СОЛОН- Пресс,2004,-696

52. Гандмахер-Ф: Р. Теория матриц 4-е издание/ Ф. Р. Гандмахер М.: Наука, Физматлит, 1988, - 347с.

53. Кутателадзе С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление Справочное пособие /С. С. Кутателадзе М.:ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1990,-361с. '

54. Публикации автора по теме диссертации

55. В изданиях, рекомендованных ВАК:

56. Саратовского салона изобретений, инноваций и инвестиций — Саратов, 2010. С. 145-151 (автор предложил принципы построения и рассмотрел работу устройства).