автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка способа и автоматического устройства контроля рельефных дефектов поверхности изделий машиностроения



МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И КУЛЬТУРЫ КЫРГЫЗСКОЙ РЕСПУБЛИКИ КЫРГЫЗКИИ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. И. РАЗЗАКОВА

На правах рукописи

ДЖАЛБИЕВ ЭМИРБЕК АВТАНДИЛОВИЧ

УДК 621: 658. 562.3/6

РАЗРАБОТКА СПОСОБА И АВТОМАТИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ РЕЛЬЕФНЫХ ДЕФЕКТОВ ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Специальность 05.13.07 — Автоматизация технологических процессов и производств

АВТОРЕФ ЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Бишкек 1997

Работа выполнена, в. Кыргызском техническом университете.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Муслимов А. П. доктор технических наук, профессор Тусупбеков М. Р. Казахский национально-государственный технический университет кандидат технических паук, доцент Стародубов И. И.

Кыргызский технический университет

Ведущая организация

Защита состоится ^ ^^^^

АО ОКБ «Аалам» (г. Бишкек) 0*?

1997 года на заседании

специализированного совета Д 05.94.34 в Кыргызском техническом университете по адресу: 720044, Кыргызская Республика, г. Бишкек, пр. Мира, 66.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кыргызского технического университета.

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью учреждения, просим направлять по указанному адресу.

Желающие присутствовать на защите диссертации должны заблаговременно известить совет письмами заинтересованных организаций на имя председателя совета.

Телефоны для справок: 44-18-20, 44-55-71

Автореферат разослан 1997 г.

Общая характеристика работ Актуальность темы. Данная работа посвящена проблеме автоматического контроля рельефных дефектов поверхности изделий машиностроения. Известно' что определение рельефных дефектов в основном производиться визуальным способом. Способ обладает недостатками, главными из которых являются: низкая производительность и привлечение ручного труда. Необходимость контроля дефектов изделий вызвана тем, что оборудование созданное из них, будет работать неудолетворительно: сильная вибрация, динамические нагрузки, потери точности и даже разрушение оборудования.

В связи с этим разработка автоматического устройства контроля дефектов поверхности изделий является актуальной задачей. Цель работы: Разработка способов и устройств автоматического контроля рельефных дефектов поверхности, имеющие малые массы и габариты.

Методы исследований базируются на положениях оптоэлектронники и теории автоматического управления. Основные задачи решены теоретически с разработкой моделей изделия и процесса контроля. Из математической модели процесса контроля получены алгоритмы расчета параметров и режима работы автоматического устройства контроля, в зависимости от- геометрической характеристики контролируемого изделия и требуемой точности к измерению.

Эксперименты выполнены по ¡разработанной методике с применением современных контрольно-измерительных средств.

Научная новизна: Разрзбоган новый способ контроля поверхности изделий машиностроения, математическая модель способа контроля и на ее основе составлен алгоритм расчета, позволяющий проектировать автоматические устройства контроля применительно любым изделиям

машиностроения. Разработана принципиально новая схема контроля, на основе которой создано автоматическое контрольное устройство. Практическая ценн ост ь. Использование алгоритмов расчета автоматического устройства позволяет решить проблему контроля различных, изделий, отличающихся в значительной мере массами я геометрическими размерами. Создано конкретное автоматическое устройство, доказывающее работоспособность разрабеггапного способа контроля.

Устройство может найти широкое. применение в машиностроении, приборостроении, текстильной, подшипниковой и часовой промышленности для контроля качества изделий массового производства. Устройство было успешно испытано на АО "Завод сверл" (г. Бишкек), при контроле наличия фасок на заготовках сверл.

Реализация работы. Разработанное устройство было испытано Há АО "Завод сверл" для контроля заготовок сверл малого диаметра. Эксперименты доказали возможность использования устройства для контроля вышеназванных изделий взамен дорогостоящего и малопроизводительного визуального контроля. На защиту выносятся:

1. Способ контроля поверхностных дефектов изделий машиностроения.

2. Математическая модель процесса контроля изделий данным способом.

3. Orara котрсйятюверхносгаых дефектов. -

4. Информационная модель контролируемого изделия и оптико-электрическая измерительная система контроля.

5. Алгоритм растете, позволяющий : проектировать автоматическое устройство

6. Методика и результаты -экспериментальной проверки и промышленнь» испытаний устройства контроля.

Апробация работы. Отдельные положения диссертационной работы докладывались на научных семинарах кафедры "Оборудование и автоматизация машиностроения" Кыргызского технического университета, на научной межрегиональной конференции в Кыргызском архитектурно-строительном институте в 1993 году, на научной конференции КТУ в 19941995 году, на.научно-пракгических семинарах КыргызНИИТИ в 1993 и 1994 годах.

Публикации. Основные: результаты исследования опубликованы в 5 печатных работах.

Структура и обьем р а б от ы. Диссертация состоит из введение 4 глав и общих выводов, изложенных на 93 страницах машинописного текста, содержит 55рисунков, 7 таблиц и список литературы из 120 наименований.

Кратко? содержание.

Во введение обосновала актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели к задачи исследования, показана практическая ценность. Автоматизация технологических процессов в машиностроении является одним из стратегических направлений развития народного хозяйства. Проблема контроля и определения; рельефных дефектов поверхности изделий является одной из трудноразрешаемых в машиностроении; приборостроении, тгодшишшковой, часовой , текстильной .промышленности и авиации в связи с тем, что к настоящему времени так я нееоздан надежный способ и метод контроля. - Сформулированы задачи, решения которых снимут данную проблему.

В первой главе рассмотрено состояние вопроса по данной теме и сформулированы.задачи научного исследования. .

Проведен обзор методов контроля рельефных дефектов поверхностей: ренгенопросвечивание, "каверноскопия", люминицентная, цветная, магнитно-люминесцентная ' дефектоскопия, электромагнитные, пневматические, фотоэлектрические. Установлено, что наиболее перспективными являются фотоэлектрические методы.

На рис.1 приведена классификация фотоэлектрических методов. Из представленной классификации видно, что контроль подразделяется на два типа методов - метод контроля границ изображения объекта и метод контроля энергетического центра. На основании анализа всех фотоэлектрических методов были сформулированы основные задачи диссертационной работы :

• разработка нового амплитудно-частотного фотоэлектрического способа

бесконтактного контроля качества поверхности, нечувствительного к __»

изменению фоновой освещенности контролируемого изделия.

• разработка аппаратной реализации .способа контроля и экспериментальное исследование его возможностей.

• разработка_ и испытание экспериментального. образца оптоэлектрического автоматического устройства, контроля качества поверхности. .

Представленный в главе обзорйый материал позволяет сделать следующие выводы: Разработано большое количество разнообразных оптоэлектрических методов бесконтактного конгроля, способных обеспечить достаточную для технических целей точность контроля (1-10 мкм). Надежность коигроля зависит от изменения интенсивности отраженного объектом светового потока ( изменение яркости объекта). Установлено, что методы контроля энергетического центра изображения объекта реализуются с меньшей схемотехнической сложностью по сравнению с методами контроля границ

Рис.1 Классификация фоюэлскгрических методов контродл.

изображения, но обладают сопоставимыми точностными параметрами. В связи с тем, что яаибольшос распространение получили амплитудно-частотные методы, благодаря лучшей совокупности точностных и технических параметров, сделаем вывод, что разработку нового оптического способа контроля целесообразно провести в рамках данного класса методов контроля. Амплитудно-частотные методы с электронным частотным кодированием позволяет максимально упростить кинематику устройства (по сравнешпо с механическим частотным кодированием), получить любой вид последовательности импульсов, повысить быстродействие, возможность встраиваться в любое технологическое оборудование, что в свою очередь приводит к повышению производительности контроля. ' Во второй главе разработана математическая модель процесса контроля. Рассмотрена, обобщенная схема оптоэлектрического. способа контроля поверхности в независимости от ее узкого назначения, конструктивного исполнения и технологических возможностей. Принципиальная схема представлена на рис. 2, а ее суп. заключается в следующем.

Световой поток от передающей системы проходя через среду распространения, падает на контролируемую поверхность, отражаясь входит в принимающую систему; принимающая система преобразует поток излучения в электрический сигнал и передает его в электронную систему; та в свою очередь формирует сигнал; по своим параметрам удолетворяющий требованиям исполнительной системы.

Специфическими чертами приемной системы являются:

a) наличие в ее составе приемника излучения;

b) возникновение в ряде случаев ложных сигнапор и помех;

c) простота и надежность конструкции.

Среда распространения излучения

Рис.2 Обобщенная схема оптоэлсктрического контроля.

Из определения основных задач стоящих, перед оптикоэлскгрическим устройством, видно, что для надежного функционирования автоматического устройства контроля важно обеспечить необходимое энергетическое соотношение. Установив эти соотношения можно определить важнейшие параметры всего устройства.

Соотношения можно представить в виде математической модели процесса контроля, являющееся основным энергетическим уравнением оптикоэлекгрнческого устройства.

( ЛФ/ФП

оэу

< АФ^АФ^АФ^ (1) V АФ =тс11еАПт0 где: ДФоб , АФцом - поток иучеПйя от детали, от фона и поверхности; Цф -

превышение.сигнала; над порогом чувствительности устройства (отношение сигнал/ш\м ); Ф„ - порог чувствительности-устройства; тс 1 -коэффициент пропускания среды на участке длиной 1; 1 - дальность действия системы; ДО-телссный угол. •

Известно что оптакоэлектрическое устройство (ОЭУ) может работать в трех режимах: активный, пассивный, смешанный. Для предлагаемого устройства рассмотрим 2 режима работы.

Пассивный. Излучатель конечной площади занимающий часть углового поля, приходящий поток излучения от которого на входной зрачок с видимой площадью ДА, расположенного на оси симметрии.

' ЛФе = TcJJhtasmacosaАА dcrdiy (2) где: Lc«r яркость источника в направлении с, сг-аппертурный угол.Но для успешной работы требуется превышение полезного сигнала от объекта над сигналом от помехи. Тогда

ЛФ = тс& (Leo6 AXls - le ^ ÁQ^J/4 (3) где: D - диаметр входного зрачка. Из последнего уравнения очевидно, что для выделения полезного, сигнала нужно достичь АО. & >> ДЦЮМ, чтобы выполнить это требование нужно уменьшить ЛЦ10М . Что достигается вводом в систему диафрагмно^росгранственных фипыров, что приводит к усложнению конструкции и снижению надежности.

Излучатель -" протяженный фон . Основной фотометрической характеристикой которого является яркость, тогда '.

ЛФ1Ф =- TCÍ¡, q Л а / f (4) где: f - фокусное расстояние, q- диаметр полевой диафрагмы. От протяженного фона и площадного объекга . При наличии в угловом поле обьекта, закрывающего часть фона, поток складывается из сигнала от объекта и сигнала от непрекрытой части фона, приходящий поток можно вычислить по формуле

ЛФ = тАы ЛАой ( Le оГ, - L ,ф) / /- (5) т.е. рабогоспособность системы в целом зависит от контраста яркостей фона и об екта.

Активный.В этом случае данный режим можно рассматривать как частный случай пассивного.

где:1- расстояние от излучателя до контролируемой поверхности, такое же расстояние от контролируемой поверхности до приемника излучения; т -соответственно коэффициенты пропускания среды до и после контролируемой поверхности.

Для надежной работы устройства треоуется обеспечить превышение сигнала от обьекта над сигналом от помечи и фона; активный режим рабсил предпочтительней, т.к. он дает наилучшие условия наблюдения за объектом в присуствии помех; на вход приемной системы приходит смесь сигнала, состоящая нз полезно- > сигнала от обьекта и сигнала помехи и фона; в связи с тем, что выделение полезного сигнала из этой смеси является сложной задачей, требующей специального аппаратного обеспечения, то для упрощения этого процесса требуется ввести модуляцию и демодуляцию потока излучения.

Модуляция. В нашем случае .рассматривается внутреннея модуляция, т. е. модуляция источника излучения. Подходящим для нашего случая является амплитудно-модулированный сигнал, в виде последовательности импульсов прямоугольной формы

Ф«х = 1?1ри £>2 А2Авх/4[4 (6)

При рассмотрении режимов работы установлено следующее:

при этом сигнал на выходе системы будет иметь вид

фм(0 - Ф(1) х(1)

(8)

где:Ф(Х)- оптический сигнал; x(t)- модулирующий сигнал. . Тогда модулированный сигнал опишется уравнением

ФмО) ~ Фо + 2Ф0 XjfiOS n tfJMt - (9) Демодуляция. На входе детектора сигнал описывается уравнением

y = (l+2xncosn&Mt)sinmt • (10) , ' на выходе детектора

z = к дт\У\ к.да, - коэффициент передачи

Представим его в полном вид ' • '

z — kdm {(1 +2хи cos nxsMt)-(l/(4rp -I) (cos 2n & t+. +дг„ cos(2nm-nwM) t + x„ cos(2nw + n&„) t} 2/n (11) Пропуская сигнал описываемый уравнением (11) через низкочастотный фильтр получим полезный сигнал, усиленный на коэффициент передачи.

Zвых~2Кд (1 + 2x„cosn t)/п (12)

Алгоритм контроля качества детали на устройстве контроля был разработан на основе следующих рассуждений. Из магазина-накопителя детали поштучно транспортируются в зону контроля. На деталь направляется световой поток, а отраженный световой поток поступает на фотоприемник. Сигнал с фотоприемника фильтруется, демодулируется й выделяется полетная составляющая, которая сравнивается с эталонным: Сигнал должен превышу или быть равным эталонному. Если данное условие выполняется, деталь годная, в противном случае г негодная. Б осле того, как деталь . проконтролировано полностью, происходит перемещение следующего язДеяия в зону контроля.

Разработанный алгоритм контроля изделия, позволяет разработать функциональную, принципиальную электрическую схему .устройства контроля.

Расчет высота дефекта. Для расчета рассмотрим схему годного изделия, если изделие не имеет рельефных дефектов, радиус изделия равен Я ( при рассмотрении тел вращения ) | СЮ |. Если контролируемая деталь годная, то луч выходя из т. А попадет в т.Б под углом а, по отношению к нормали | ОС ] проходящую через т Б, отражается и поступает в т В.

Все дефекты можно условно подразделить на. две группы: I группа -наплыв, наклеп, наслоение и т.д., т.. е. велич!гаа отклонения положительная; П группа -царанин^ вмятина, риска, т.е. величина отклонения отрицательна.

Проделав все не сложные построения и расчеты можно определить величину отклонения от эталона. Для I группы.

\т=

а* +а*г£?а+4а(§а+41? +

-Я

(13)

Для II группы

(¿г

а+а£а

+

(14)

И н форма ц ионная м одел ь из дел и я. На основе расчета высоты дефекта,, контролируемую деталь можно представить в виде

двумерной матрицы, где Ы-число строк сканирования, К- число столбцов или частота модулирования уложенных в одну строку, а элементами этой матрицы будет радиус контролируемой детали, если это тело вращения, или "О" - если плоскость.

I ац а12 а13 ... а1к | I а-21 а22 а2з ... ¿Ы ' А= | ац а32 ац ... а3к | (15)

а„1 а„2 ап3 ... а„к

( Я, если тело враи;ения где ау- ■{ . -

10, плоскость при 1=1,2,3... N 3=1,2,3... К

отсюда можно представить контролируемое изделие как совокупность трех матриц, А,В,С, где: А - матрица описывающее эталонное изделие ( Я + Итах , если тело вращения

■ ъг-\ '

А 0 + ктах, плоскость при 1=1,2,3... N1 3=1,2,3... К

где Лдадг _- величина максимального допустимого отклонения от размера. Таким образом В - магрица максимального допустимого изделия. ( Я + йт,„ , если тело вращения

А 0 + ИтШ, плоскость при 1= 1,2,3... Ы; 3=1,2,3... К

где А/я,л - величина минимального допустимого отклонения от размера. Таким образом С - матрица минимального допустимого изделия. Укрунненая схема контроля будет выглядеть так:. сд < <. Ьу (16)

где: D - матрица реального изделия,если условие выполняется, то изделие годное . Если нет , то негодное. По уравнению (16) можно получить графическую картину дефекта (рис.9).

Алгоритм расчета параметров прибора. Исходные данные : режим работы ОЗУ; схема контроля; соотношение сигнал/шум; порог чувствительности устройства.

Задача - определить светоонергетические параметры устройства. Последовательность расчета:

1 Находим поток излучения от детали

Фпт/гс'

2 Расчет дальности действия

Авх = Tttf/4; I = (rc 1AJIщ, Фп<щ)),/2

3 Диаметр входного зрачка

4 Расчет параметров источника излучения

I2 = тс IА^/(Фп my) ; 1- гс А^/(12 цф Фп 0J по силе излучения подбираем источник излучения.

5 Расчет параметров приемника излучения

Ф- АфчА„тсМ(а) /(я1ф2) где: М(а)- плотность излучения

6 Расчет производительности

Q=I/(tK + t, + tPK) где: t, -время контроля; tB -вспомогательное время; tp* - расчет быстродействия электронной схемы.

Вт р е т ей главе сформулированы основные требования для построения автоматического устройства контроля рельефных дефектов поверхности изделий машиностроения:

1 Устройство должно работать в автоматическом режиме, т. е. реализовать процесс поштучной выдачи изделия,. контроль, выдачу и обработку информации, удаление изделия после .контроля;

2 Устройство должно иметь фотоэлектронную автоматическую систему съема информации;

3 Загрузочное устройство должно вмешать не менее 20 изделий;

4 Для получения необходимой точности контроля должна быть предусмотрена система стабилизации электрических, механических и температурцых параметров прибора.

Функциональная схема устройства приставлена на рис.4. Контролируемое изделие из механизмов, загрузки попадает на транспортирующее устройство, которое транспортирует' изделие в зону контроля. Из задающего генератора вырабатывающего прямоугольные импульсы, данные импульсы поступают на делитель 2, из делителя на усилитель 3, к которому подключена схема питания полупроводникового лазерного излучателя, Отраженный Световой поток попадает на фотоприемник 5, подключенный ^ к полосовому фильтру сигнал, прошедший полосовой фильтр, подается на в^од амплитудного кампаратора: 7; при ».рабатываииикампаратсра 7 одновибратор 8. формирует сигнал исполнительного механизма 10. :

Техническаяхарактеристика Производительностьконтроля, ип/мии,......;...„..............

Установленная мощность электрооборудования, 60 Вт

..200 ... 0,3

Число установочных призм.......................................................................2

Емкость магазина заготовок....................................................................2б

Сортировка на группы качества..........................................................2

Габаритные размеры........................................................ 290 х 290 х 200

Масса, кг....................................:...,............................................................2

В четвертой главе приведены результаты испытаний экспериментального устройства контроля. Проведенные эксперименты по . определению оптимального угла падения и отражения, дефектов поверхности, подтвердила теоретические выводы по модуляции луча.

Производстветше испытания автоматического устройства были проведены на АО "завод Сверл" . Результаты испытаний по определению дефекта представлены на рис. 5 и 6. По ним построены зависимости Т= представленные на рис.8.

Эксперименты показали, то? модуляция сигнала повышает отношение сигнал/шум в 23 раза, т. е. при модулированном потоке достоверность определения повышается, и на результат-меньше всего влияет перемена яркости объекта, что так же повышает достоверность контроля.

. Были проведены расчет времени контроля в зависимости от скорости вращения и количества фотоприемников . На рис 7 представлен график, построений по результатам эксперимента.

На основании экспериментов было доказано, что применение

нескольких фотоприемников, не дает существенного выигрыша во времени,

, . . .

что приводит к усложнению кднструкции и увеличению времени настройки.

Рис 4 Функциональная схема устройства контроля.

Рис.6 Осцилограмма детали № 8

п об./мин. ¿е!=3

Рис.7 Время контроля.

Рис.8

и

поверхность

6 т

частот! сканирования

поверхность

О'"

-o.es--0,1 --0.15-0.2-0,25 АЗ

0-0.05-5;55Е-17

Ш-0,1—0,0$

а-0.15-0.1 р, а-0.2-0,15 а -0.25—0.2 . в-о.з-о;»

7 8 9 ,а

Рис 9. Графическое предстагл'.чше дефекта.

Основные результаты и выводы диссертации.

1 На основании анализа существующих методов контроля рельефных дефектов поверхности разработан новый оптикоэлеюуичеекмй метод, наиболее полно отвечающий требованиям промышленности.

2 Разработана математическая, модель способа контроля, не зависящая от массогсометрических и режимных параметров. На ее основании были составлены

алгоритмы расчетов, позволяющие, в зависимости от параметров и требуемой точности рассштать свстоэиергетические параметры контрольного устройства, это дало возможен ость поставить вопрос серийного

N '

проектирования автоматических устройств применительно к широкому классу изделий.

3 Предложена информационная модель изделия н сформированы основные требования и принципы построения автоматической системы контроля.

4 Разработан и изготовлен опытный образец автоматического устройства контроля рельефных дефектов изделий машиностроения, прошедший лабораторные и промышленные испытания на конкретных изделиях: Была доказана его работоспособность.

5 Автоматическое устройство рекомендуется использовать в автоматических линиях, сборочных автоматах. Доказано, что его применение в значительной степени решает проблему создания высокоточных машин и приборов.

Список публикаций, в которых изложены основные положения

диссертации.

1. Муслимов А.П., Джатбиев Э.А. Автомат, контролирующий наличие фаски у изделий машиностроения./ Кыргыз. НИИНТИ; Информационный листок, №19 (7026); Серия 55.01.81; Бишкек, 1994 г.

2. Джалбиев Э.А. Исследование поверхностных дефектов на изделиях машиностроения./Сборник нзучных трупов Кыргызского технического университета им. Раззакова И.,- Бишкек: КТУ, 1997.

3. Муслимов А.П., Джалбиев Э.А. Способ обнаружения поверхностных дефектов на изделиях машиностроения./ Вестник машиностроителя- Бишкек: КТУ, 1997-№2.

4. Муслимов А.П.,Джалбиев Э.А. Ачгоритм расчета высоты микроиеровиости на изделиях типа тел вращения./ Вестник,машиностроителя- Бишкек: КТУ , 1997- №2.

5. Джалбиев Э.А. Устройство обнаружения поверхностных дефектов изделий машиностроения. / Сборник научных трудов Кыргызского технического университета им. Раззакова И.,- Бишкек: КТУ, 1997.

АННОТАЦИЯ

Данная работа посвящена решению актуальной проблемы - контролю рельефных дефектов поверхности изделий машиностроения и автоматизации процесса контроля. В работе проведен обзор материала по данной проблеме. На основе данного обзора был разработан новый способ обнаружения рельефных дефектов, успешно решены теоретические вопросы: разработана математическая модель процесса -«онгроля; создан алгоритм расчета устройства, с помощью которого решены вопросы создания

экспериментального устройства. Данное устройство создано и испытано, результаты испытаний доказывают работоспособность устройства.

ABSTRACT

This work is dcdreated to the solving on actual problem - control the surface roughness on products of machine-building and automated control. During the work a revrew of materials on this problem has been made. On its base a new method of control roughneesses has been developed and theory problems have been successfully solved. A mathematical model of control and product has been developed. A calculation of device algonth for on experimental one has been created. The dcvice has been created and tested the results prove its workability. '

КЫСКААЙТЫК.

Бул эмгек машина куруу жана контролдоо процсессрдив автоташтыруудагы *

тетиктсрдин беттук кемтиктерин аныктоонун актууалдуу 'проблемасьшын чечшиимине арналганым.. Иштин журушуа каралган проблема боюнча жыйынтык маалыматы берилгсн. Бсрилген жыйынтык маалымаггын нсгизине тетикгсрдин беттик кемтиктсрун бойкоонун жапы ыкмэлары иштетип чыккаи: тсориялык мселер ийгшшюуу чсчилгеи; контролдоо процессии математикалык модели ииггслиц чыккан. Оксперимснтальдык тузулушту куруу масалесин чече турган эссптоо алгеритмасы иштслии чыккаи. Бул тузулуш жасалган жана ^ыноодо откои. Сыноонун жыйынтыкгары бсрилген тузулуштун иштоо жантамдуулугун далилдейт.