Автоматизированный контроль качества изготовления детали при токарной обработке на основе гидроструйно-акустических методов измерения

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 сталитугоплавкие металлы и их сплавыконструкционные алюминиевые, магниевые и титановые сплавыкерамики, металлокерамики и пластмассыкомпозитные материалы на основе порошковой и волоконной технологиимногослойные 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 инструментаповышенная способность к упрочнению приводит к возрастанию твердости обрабатываемой поверхностинизкая теплопроводность затрудняет отвод тепла из зоны резаниявысокий коэффициент трения из-за высокого химического сродства с материалом инструмента и наличие твердых включений интенсифицируют изнашивание инструментавысокая химическая активность к кислороду, азоту и водороду вызывает охрупчивание поверхностного слоясклонность к образованию макрои 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 нихавтоматических 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, напримертипа 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 «ІІепІ8Ііау» 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 двухи трех координатного измерения ускорения.

В промышленности наибольшее применение нашли акселерометры фирмы «Bruel & 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 светапервое 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 лшна 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 составопределять прочность и структуру поверхностных слоев материала при термообработке, что позволяет динамично управлять режимом этого техпроцессаконтролировать поверхностные остаточные напряженияобнаруживать поверхностные дефекты в виде трещин, пустот и расслоенийопределять 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

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 ИКсвето-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 фотодиодомр, — интенсивность света с контрольной поверхности, регистрируемая ьм фотодиодомg- 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 объектакак 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 усилителемсовмещенными, в которых пьезоэлемент используется попеременно для излучения и приема ультразвуковых волнраздельно-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). Каки 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. Впоперечном 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 (AAtp / (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 ввиде двумерной матрицы, то управление направленностью и F осуществляется в трех измерениях.

Угол и фокусное расстояние можно изменять прикаждом 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, «тандемэхо-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 контроляв которых преимущественно используются акустические измерительные устройства иммерсионного и. щелевого типовОни 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) прокатеприменяются, 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)

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 сигналовв 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 акустическимиметодами 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 0,1−25 000 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 применимыдля расчета и оптимизации геометрии гидравлических каналов в других типах струйных чувствительных элементов: в цепях обратной связи: автоматизированных систем контроля качества.

4. Разработанные методы> ипрограммы 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 контролякачества применима в различных типах станков: с ЧЕРУ.

Внедрение результатов-.

Результаты работы используются в НИОКР «Автоматизациятехнологических процессов с применением бесконтактных, высокоточных измерительных устройств дляконтроля физико-технических и геометрических параметров поверхности детали ири механической обработке» (ГК № 7379р/10 164 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.

Апробациярезультатов 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 построенияавтоматизированной? 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 темыработыопределены цели, задачи, методы и средства исследованияотмечается достоверность результатов работыпоказана научная новизна и практическая значимость выполненных исследованийсформулированы положения, выносимые на защитуприведены 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 обработкис применением автоматизированной системы контроля материала, размеров и вибрации. Анализ, перечисленных параметровпроводится в процессе: обработки заготовки с применением гидроструйно-акустических методов измерения. По результатам данных исследований применительно к токарным станкам с ЧПУ предложены-принципы построения" подобнойавтоматизированной 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 измеренияразмеров 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. .25 000 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 применениемпродольных 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.