автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Формирование модели контроля для использования в автоматизированной системе оценки качества термообработки стальных изделий

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса о применении электромагнитных методов в неразрушающем контроле.

1.1. Физические предпосылки неразрушающего контроля механических свойств стали электромагнитными методами.

1.2. Анализ основных подходов к контролю качества физико-механических свойств металлоизделий электромагнитными методами.

1.3. Особенности проектирования приборов многопараметрового электромагнитного контроля.

1.4. Постановка задачи и выбор методов исследования.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 2. Определение информационной совокупности параметров для построения модели контроля.

2.1. Теоретические основы спектрально-корреляционного метода.

2.2. Определение информативной составляющей спектра сигнала.

2.3. Выбор способа параметризации сигнала.

2.4. Статистическая обработка экспериментальных данных.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3. Выбор метода построения модели контроля и оценки ее качества.

3.1. Анализ методов множественного регрессионного анализа.

3.1.1 Шаговый регрессионный метод.

3.1.2. Метод группового учета аргументов (МГУА).

3.1.3. Метод последовательных приближений полиномами Чебышева (МППЧ).

3.2. Критерии оценки методов.

3.3. Реализация алгоритмов и сравнение результатов.

3.4. Оценка качества моделей.

3.4.1. Основные критерии выбора модели (частные качества).

3.4.2. Выбор комплексного критерия качества моделей.

3.4.3. Проверка адекватности системы оценки качества моделей

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4. Применение разработанных алгоритмов в автоматизированной установке контроля качества термообработки стальных изделий

4.1. Контроль качества термообработки металлоизделий.

4.1.1. Основные подходы к контролю качества термообработки неразрушающими методами.

4.2. Контроль качества термообработки деталей 9\У137/38 (звенья цепи гусеницы трактора Са1егрШег).

4.2.1. Структурная схема и принцип работы автоматизированной системы контроля качества термообработки МФ-64П.

4.2.2. Программное обеспечение установки.

4.2.3. Математическая модель контроля.

4.2.4. Оценка достоверности контроля автоматизированной установки МФ-64П.

ВЫВОДЫ.

Рост технического уровня производства повысил потребность в средствах неразрушающего контроля качества выпускаемой продукции. Чем позднее от начала процесса производства находится момент обнаружения брака, тем более дорогим становится его исправление, тем выше себестоимость продукции. В настоящее время, в машиностроительных отраслях промышленности при хорошей организации контроля затраты на неустранимый брак составляют 2-4% от себестоимости продукции, при плохой 15% и более [45].

Последние 30-40 лет характеризуются особо интенсивным развитием исследований методов и средств неразрушающего контроля (НК). Они реализуются как в областях производства, так и в диагностике и прогнозировании поведения материалов, изделий и конструкций. Традиционно используемое определение неразрушающего контроля [33] как процесса, при котором на контролируемый объект воздействуют физическим полем и о качестве объекта судят на основе регистрируемых характеристик этого поля, достаточно общее и связано с развитием НК как системы, прежде всего, качественной оценки состояния объекта. Переход к количественному метрологически обеспеченному контролю требует обратить необходимое внимание на методы моделирования взаимодействия физических полей с объектом контроля и методы обработки информационных сигналов.

Значительное место в неразрушающем определении структуры, фазового состава, физико-механических свойств и других эксплуатационных характеристик изделий металлургической и машиностроительной промышленности принадлежит электромагнитным методам.

Проблема создания математического обеспечения систем электромагнитного контроля качества металлоизделий включает в себя ряд вопросов, связанных с параметризацией сигнала, поступающего с преобразователя, подбором метода идентификации моделей контроля, построением моделей, оценки их качества и пр.

Решение этих вопросов является неотъемлемой частью процесса создания приборов неразрушающего контроля и позволяет во многом предопределить надежность и эффективность их работы.

Таким образом, целью представленной диссертационной работы является создание математического обеспечения для формирования модели контроля в автоматизированной системе оценки качества термообработки стальных изделий.

Поскольку для реализации поставленной цели необходимо решать вопросы, связанные с исследованием сигнала, поступающего с преобразователя, то основным объектом исследования является измерительная информация и способы ее обработки.

Для достижения указанной цели определены основные задачи диссертации:

Исследование существующих подходов к решению задач контроля многопараметровыми электромагнитными методами.

Моделирование процесса преобразования сигнала и определение информационной совокупности параметров для построения модели контроля.

Анализ и выбор метода идентификации модели контроля;

Практическая реализация полученного комплекса методов в системе контроля качества термообработки.

Научная новизна выполненных исследований заключается в следующем:

1. Разработана методика определения информативной ширины спектра сигнала, основанная на численном моделировании процесса преобразования сигнала.

2. Предложен алгоритм идентификации модели контроля, позволивший оптимизировать процесс построения модели в условиях малой выборки и взаимной корреляции факторных признаков.

3. Предложена методика оценки качества разработанных моделей, предоставляющая возможность учитывать наряду с точностью, такие характеристики модели как сложность и устойчивость.

В качестве результатов проведенных исследований наибольшую практическую ценность представляют:

1. Программа для моделирования процесса преобразования сигнала, которая может использоваться для выбора параметров входного воздействия в проектируемых системах электромагнитного контроля.

2. Результаты исследования возможности контроля термообработки сталей 35 ГР и 40ГМФР после объемной закалки и высокотемпературного отпуска.

3. Алгоритмическое и программное обеспечение для автоматизированной системы контроля твердости звеньев цепи гусеницы трактора (ОАО "ЧАЗ" г.Чебоксары) и для прибора электромагнитного контроля качества термообработки пальцев звена гусеницы (ОАО "ВзТДиН" г. Волгоград).

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем работы (включая 25 рисунков и 6 таблиц) 110 страниц текста. Список литературы насчитывает 74 наименования. Приложения составляют 35 страниц. Общий объем работы 152 страницы сквозной нумерации.

ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ наиболее распространенных подходов к контролю качества термообработки стальных изделий

2. Рассмотрены вопросы возможности контроля изделий из сталей с высоким содержанием углерода после объемной закалки и высокотемпературного отпуска.

3. Рассмотрен опыт применения магнитных методов к решению задачи контроля термообработки звена гусеницы на ОАО "ЧАЗ". Установлено, что внедрение неразрушающего контроля свзязано с рядом нерешенных проблем. В частности, многочисленные исследования не позволили найти магнитные параметры, однозначно связанные с измеряемым свойством детали.

4. На основании проведенного анализа, сформулированы условия задачи и требования к ее решению. Представлена структурная схема автоматизированной установки, в которой использовались разработанные методы обработки данных. Описана методика контроля.

5. Рассмотрена возможность контроля с использованием Фурье-дескрипторов. Был сделан вывод о нецелесообразности применения их к решению поставленной задачи.

6. Создано программное обеспечение для обработки экспериментальных данных включающее: автоматизированную систему идентификации модели контроля, программу для расчета информативных параметров контроля на языке ассемблер для МПК 580 в которой реализован БПФ-алгоритм Кули-Тьюки с прореживанием по времени, программу идентификации контролируемого параметра (расчет по модели).

7. Проведена предварительная обработка экспериментальных данных, полученных на контрольной партии образцов. Проведена статистическая обработка полученных данных, которая показала наличие мультиколлинеарности факторных признаков.

8. Построена модель контроля, найдены ее характеристики, которые удовлетворяют условиям задачи. Сделан вывод о возможности применения данной модели в автоматизированной системе контроля.

9. Приведены результаты промышленных испытаний автоматизированной установки МФ-64П., которые показали высокую достоверность контроля.

109

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В диссертационной работе представлены результаты исследований, на основе которых можно решать проблемы возникающие в процессе проектирования систем многопараметрового электромагнитного контроля. На основе проведенного исследования получены новые решения некоторых задач, связанных с обработкой данных в системах контроля.

Предложенные в диссертационной работе методики и алгоритмы позволили автоматизировать выбор информативных параметров и оптимизировать процесс построения модели контроля. Итогом проведенной работы явилась разработка математического обеспечения для автоматизированной системы оценки качества термообработки стальных изделий.

Основные научные результаты и положения, полученные в диссертационной работе, состоят в следующем:

1. Исследованы существующие способы обработки данных при многопараметровом электромагнитном контроле и сделан вывод об актуальности дальнейшего совершенствования методов обработки на основе современных информационных технологий.

2. Рассмотрены вопросы автоматизации выбора информативных параметров контроля. Предложена методика определения минимально необходимой ширины спектра сигнала, основанная на численном моделировании процесса преобразования сигнала.

3. Получены зависимости связывающие входные параметры сигнала с частотой дискретизации, позволяющие обоснованно с точки зрения аппаратурных и временных затрат подходить к выбору входных параметров.

4. Проведен анализ существующих методов множественной регрессии и показана необходимость их адаптации к задачам неразрушающего контроля.

5. Предложен алгоритм моделирования зависимостей на основе метода последовательных приближения с использованием полиномов Чебышева, который дает возможность строить модели в условиях малой выборки и мультиколлинеарности переменных.

6. Предложена методика комплексной оценки качества моделей, позволяющая автоматизировать процесс выбора модели контроля и учитывать, наряду с точностью, такие параметры модели, как сложность и устойчивость.

7. Проведено экспериментальное исследование работы предложенных алгоритмов, которое показало возможность их применения в системах неразрушающего контроля качества металлоизделий.

8. Научные и практические результаты, полученные в диссертации, внедрены на ряде предприятий при создании систем контроля качества термообработки.

1. Агаханян Т.М., Дубровская И.В. Усилительная техника. -■ МИФИ, 1978, 80 с.

2. Азгальдов Г.Г., Райхман Э.П. О квалиметрии, М.: Изд-во стандартов, 1973;

3. Айвазян С.А. Статистическое исследование зависимостей. М.: Металлургия, 1969. 227 е.;

4. Акулов Н.С., Грабовский М.А. Многопараметровый анализатор. Заводская лаборатория, 1936, №8;

5. Александров О.Г. Интегральная оценка качества. -Стандарты и качество, 1980, N 7;

6. Алиев Т. А. Экспериментальный анализ. М.: Машиностроение, 1991;

7. Анисимов С.Д. Селективный электромагнитный контроль качества самоотпуска стальных изделий. Дефектоскопия, 1981, №1, с. 60-66;

8. Аронов А.Я., Попов А.Н., Морозова В.М., Ничипурук А.П. Экспериментальное исследование статистической взаимосвязи магнитных и механических параметров конструкционных сталей. Дефектоскопия, 1988, №3, с. 25-31;

9. Ачильдиева Э.С., Валиев М.М., Каганов З.Г., и др. Контроль качества поверхностной закалки изделий из стали 45. Дефектоскопия, 1976, №6, с.36-39;

10. Бендат Д., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных, М.: Мир, 1989, с.366-368;

11. Бида Г.В., Михеев М.Н., Камардии В.М. Об уменьшении влияния зазора между полюсами приставного электромагнита с изделиями при неразрушающем контроле их качества. Дефектоскопия, 1984, №2, с. 2631;

12. Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов М.:"Мир", 1989, 448 е., с. 128-133

13. Болынев JI.H., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. М.: Наука, 1965, 317 с.;

14. Брызгалин Г.И. Введение в теорию качеств. Волгоград, 1988.

15. Буров В.Н., Шатерников В.Е. Автоматическая обработка информации при электромагнитном контроле геометрических и электрофизических параметров изделий. Дефектоскопия, 1980, №6, с. 15-21;

16. Волченко В.Н., Пятукин Г.А. Порядок замены механических испытаний проката магнитным неразрушающем контролем. Заводстка лаборатория, 1984, №11, с. 53-56;

17. Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных. JL: Энергоатомиздат, 1990;

18. Герасимов В.Г., Останин Ю.Я., Покровский А.Д., Сухоруков Е.В., Чернов JI.A. Неразрушающий контроль качества изделий электромагнитными методами. М.: Энергия, 1978, с. 28-88

19. Гнедков П.С., Садовникова Н.П. Оценка качества моделей // IV Межвуз. конф. молодых ученых волгоградской области: Тез. докл., 8-11.12.98.

20. Гнедков П.С., Сластинин С.Б., Садовникова Н.П. Автоматизированная установка контроля качества термообработки звена гусеницы // Прогресс транспортных средств и систем: Тез. докл. межд. научн,-практ. конф., 7-10. 09. 99.

21. Дорофеев А.П., Никитин А.И., Рубин А.П. Индукционная толщинометрия. М.: Энергия, 1978;

22. Дрейзин В.Э. О статистическом подходе к решению многопараметровых метрических задач неразрушающего контроля. Дефектоскопия, 1981, №3, с. 5-14;

23. Дрейзин В.Э. Систематизация способов получения и обработки многомерных сигналов в электромагнитном многопараметровом неразрушающем контроле. Дефектоскопия, 1981, №6, с. 28-37;

24. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. М.: Статистика, 1973;

25. Егоров C.B., Мирахмедов Д.А. Моделирование и оптимизация в АСУТП. Ташкент: Мехнат, 1987. 200 с.

26. Ершов Р.Е. О возможности контроля толщины закаленного слоя методом вихревых токов. Дефектоскопия, №1, 1966, с.75-78.

27. Ивахненко А.Г. Долгосрочное прогнозирование и управление сложными системами. Киев: Техника, 1975;

28. Калантаров П.JI. Нейман Л.Р. Теоретические основы электротехники "Госэнергоиздат" М.:, 1951;

29. Камаев В.А., Гришин В.А. Математическое моделирование изделий и технологий. Уч. пос., Волгоград, 1986;

30. Ляхов Д.М., Морозова В.М., Сергеев В.Г. и др. Нелиненая математическая модель статистической взаимосвязи магнитных и механических параметров конструкционных сталей. Дифектоскопия, 1990, № 2, с.53;

31. Мельгуй М.А. Магнитный контроль механических свойств сталей. Минск "Наука и техника", 1980;

32. Методы неразрушающих испытании. Под ред. Р.Шарпа. -М. Мир, 1972;

33. Мигачев Б.А., Михайлов A.B., Волков В.П. Методика расчета показателей качества. Надежность и контроль качества, 1985, N 7;

34. Михеев М.Н., Бида Г.В., Ригмант М.Б. и др. Магнитный контроль качества поверхности закалки зубьев крупногабаритных шестерен. Дефектоскопия, 1982, N22, с. 16-19;

35. Михеев М.Н., Бида Г.В., Царькова Т.П., и др. Исследование режимов перемагничивания при контроле качества закаленных и отпущенных деталей изделий по величине остаточной магнитной индукции. Дефектоскопия, 1982, № 8, с. 69-79.

36. Михеев М.Н., Горкунов Э.С. Магнитные методы контроля закалки и последующего отпуска изделий их низколегированных конструкционных сталей. Сб.

37. Магнитные методы неразрушающего контроля, Свердловск: УНЦ АН СССР, 1979, с. 3-13;

38. Михеев М.Н., Горкунов Э.С. Магнитные методы структурного анализа и неразрушающего контроля. М.: Наука, 1993. - 252 с.

39. Михеев М.Н., Горкунов Э.С. Связь магнитных свойств со структурным состоянием вещества физическая основа магнитного структурного анализа (обзор). Дефектоскопия, 1981, №8, с. 5-22;

40. Михеев М. Н. Морозова В.М., Морозов А.П. и др. Коэрцитиметрические методы контроля качества термических и химико-термический обработок стальных и чугунных изделий. Дефектоскопия, 1978, №1, с. 14-22;

41. Могильнер Л.Ю., Михайлов И.И. О дискретизации сигналов при автоматизированном ультрозвуковом контроле.- Дефектоскопия, 1993, №10, с. 25-28;

42. Морозова В.М., Михеев М.Н. Труды ИФМ АН СССР, вып. 24, Свердловск, 1965, с.З;

43. Мирвалиев М. Исключение резко выделяющихся наблюдений в регрессионном анализе. Теория вероятностей и ее применение, 1978, XXIII, 3, с. 619-623;

44. Мушкин A.M. Контроль качества полуфабрикатов и деталей с помощью приборов типа ЭМИД. М.: Машиностроение 1970;

45. Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник. Под ред. Клюева В.В. М.Машиностроение, 1995;

46. Неразрушающий контроль методом высших гармоник вихревых токов. Труды ИркутскНИИхиммаш. Выпуск 2, Иркутск, 1970;

47. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешилстей результатов измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1985.- 248 е.;

48. Орнатский П.П. Теоретические основы информационно-измерительной техники. Киев: Высшая школа, 1976;

49. Осипов A.A. Оценка точности многопараметровых регрессионных моделей. Дифектоскопия, 1995, №1, с.78-83;

50. Осипов A.A. Применение множественного регрессионного анализа в некоторых задачах неразрушающего контрля. -Дефектоскопия, 1995, №4;

51. Отчет о научно-исследовательской работе "Исследование, разработка и внедрение средств неразрушающего контроля деталей ходовой системы тракторов после термообработки", НПО "ВНИИТМАШ", Волгоград, 1993;

52. Петрович М.Л. Регрессионный анализ и его математическое обеспечение на ЕС ЭВМ., М.: Финансы и статистика, 1982;

53. Плахотнюк А.Н. Сравнительный анализ спектральных методов формирования многомерного сигнала при многопараметровом электромагнитном контроле структурно-механических характеристик изделий. Дефектоскопия, 1985, №2, с. 16-25;

54. Плотникова Г.А., Плотников B.C. О совмещении вихретокового и термоэлектрического метода присортировке сталей по маркам. Дефектоскопия, 1983, N2 10, с. 19-24;

55. Плотникова Г.А., Плотников B.C. Пути повышения достоверности электромагнитного контроля. Дефектоскопия, 1980, №5, с. 33-39;

56. Плотников B.C. Многопараметровые методы электромагнитного контроля. Учебное пособие, Томск, 1980;

57. Покровский А.Д., Хвалебнов Ю.П. Метод высших гармоник в электромагнитной дефектоскопии. М.: Машиностроение, 1980.

58. Покровский А.Д., Хвостов А.И. Автоматизированные автогенераторные вихретоковые дефектоскопы для контроля изделий из широкого класса электропроводящих материалов. Дифектоскопия, 1993, № 3, с.60-63;

59. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник. Под ред. В.В. Клюева . М. Машиностроение, 1986;

60. Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. М.: Наука, 1968;

61. Пустынников В.Г., Анисимов С.Д. Электронное устройство для контроля качества термической обработки стальных изделий. Изв. вузов. Электромеханика, 1964, №4, с. 471-476;

62. Рабинович В.И., Цапенко М.П. Информационные характеристики средств измерения и контроля. Л.: Энергия, 1968:

63. Сандовский В.А. Обработка многомерного сигнала при магнитном спектрометрическом контроле сталей. Дефектоскопия, 1982, №4, с.33-36;

64. Сандомирский С.Г. Магнитный контроль физико-механических свойств изделий массового производства в движении.- Дефектоскопия, 1996, N7, с.51-59.

65. Сластинин С.Б. Разработка магнитного и вихретокового методов многопараметрового контроля качества термообработки деталей тракторов и сельхозмашин. Канд. диссертация. г. Волгоград , 1981,182 е.;

66. Сластинин С.Б., Гнедков П.С., Садовникова Н.П. Автоматизированная установка неразрушающего контроля твердости // Автоматизация технологических процессов в машиностроении : Межвуз. сб. науч. тр. / ВолгГТУ.- Волгоград, 1997. Часть 1. - с. 140-146.

67. Шакшин Н.И., Деордиев Г.И.,Кузнецов И.А. и др. Магнитный контроль термообработки стали с использованием Фурье-дескрипторов петли гистерезиса.-Дефектоскопия, 1993, N3, с.67-75.

68. Шакшин Н.И., Деордиев Г.И., Щербинин В.Е. и др. Оценка температурно-временных режимов старения нержавеющей стали по элементам Фурье-дескрипторов петель магнитного гистерезиса.- Дефектоскопия, 1996, N3, с.51-59.

69. Шель М.М. Неразрушающий контроль методом высших гармоник вихревых токов. Иркутск, 1970;

70. ББ 20 : селекция по дисперсии и алгоритму от меньшего к большемугде Б1, Б4 дисперсия соответственно при первой, четвертой степенях полинома; р порог значимости для дисперсии; Ь - степень полинома.

71. БВ 21 : селекция по дисперсии и алгоритму от большего к меньшему0.829236 ,000000 модели :0.950000

72. Данные МФ64П 28.08.97; звено 9W;1н=14А;1р=440 мА;СОП:И2 = 108;К1=222;К2 = 44 6;

73. Изм. на И2М); (1 вариант 0.09 0.01) (2 вариант 0.01)1. Характеристики модели

74. Количество переменных используемых в модели : 4 Максимальная степень модели : 2 Количество коэффициентов модели : б Характеристики модели выраженные через критерии качества

75. Ед.критерий качества : 0.913815 Частное качество коэф. корреляции Частное качество макс, ошибки : 1 Частное качество количества коэф. 0.933333

76. Частное качество степени модели : Частное качество количества переменных, модели : 0.866667

77. Остаточная дисперсия Дисперсия1. Корреляция0.00077 0.000710.908121. Объём полной выборки : 77

78. Объём выборки используемой для построения модели : 77