книги / Надежность и диагностика технологических систем

которые влияют на характеристики измерительной катушки (ИК), изменяя ее комплексное сопротивление:

Z =R +RQU+ico(L + LBU),

где R — собственное активное сопротивление ИК; RBH— дополни­ тельное сопротивление, вносимое в ИК за счет взаимодействия с контуром вихревых токов; i — мнимая единица комплексного числа; со — частота электрического тока; L — собственная ин­ дуктивность ИК; Lmi — дополнительная индуктивность, вноси­ мая в ИК вихревыми токами.

Вносимое сопротивление и индуктивность рассчитываются по формулам:

Дшг = (соц)2Дц/[Ди2+(ю£„)2] ;

Lm =(о)ц)2^/[^+(® ^)2],

где R^n Ln — эквивалентные активное сопротивление и индук­ тивность контура вихревых токов; р. — коэффициент взаимоин­ дукции эквивалентного контура вихревых токов с контуром ИК датчика.

Величины Км, и ц зависят в большей степени от электри­ ческих и в меньшей — от магнитных характеристик контроли­ руемых материалов, а также от размеров образца, его качества и сплошности.

Исследования контролепригодности инструментальных мате­ риалов для вихретоковых методов проводились с помощью вих­ ретоковых датчиков. Диаметр датчика 4 мм, питание — ток с частотой порядка 2 мГц. Датчик с помощью специального при­ способления подводился к образцу испытываемого инструмен­ тального материала. Величина зазора S выставлялась с помощью прокладок из проклеенной бумаги. Зазор при измерениях изме­ нялся в пределах 0...550 мкм. Величина электрического сигнала (напряжение постоянного тока с выпрямительной схемы при­ бора) регистрировалась на экране электронного осциллографа. Величина сигнала отсчитывалась по делениям сетки экрана. Эталоном уровня сигнала служила пластина из незакаленной стали 45, прошлифованная до шероховатости Ra не более 0,8 мкм. Сталь 45 обладает хорошей контролепригодностью при исполь­ зовании вихретоковой аппаратуры.

В табл. 11.3 приведены результаты испытаний твердых спла­ вов, а также углеродистых, легированных и быстрорежущих ста­ лей. Полученные численные значения соответствуют величине отклонения луча осциллографа в милливольтах. Анализ таблич­ ных данных показывает, что твердые сплавы наиболее контроле­ пригодны для применения вихретокового метода. Чувствитель­ ность датчика к ним по сравнению со сталью 45 выше примерно на 33 %. Это объясняется наличием в твердых сплавах кобаль­ та, который растворяет в себе карбиды тугоплавких металлов и имеет наибольшую анизотропию намагничивания монокри­ сталлов, что увеличивает эквивалентную индуктивность конту- * ра вихревых токов Кобальт составляет основу большинства магнитотвердых сплавов, имеющих наивысшие значения RBn и 1»вн.. Поэтому инструменты с режущими пластинами из твер­ дых сплавов наиболее перспективны для контроля вихретоковым методом (табл. 11.4).

Таблица 11.3

Контролепригодность твердых сплавов, углеродистых, легированных и быстрорежущих сталей

Усверхтвердых инструментальных материалов величины RBH

иЬвязначительно отличаются, что приводит к вариации выход­ ного сигнала вихретокового датчика (см. табл. 11.4). Наибольшей контролепригодностью среди сверхтвердых материалов обладают композиты из гексагонального нитрида бора (композит 01) и из вюртцитоподобной модификации нитрида бора (композит 10). Сверхтвердые материалы исмит-1 и исмит-2 дают примерно в два раза меньший отклик в ИК на воздействие вихревых токов.

Таблица 11.4

Контролепригодность сверхтвердых материалов

Величина сигнала, мВ

Марка инструментального материала влияет также и на ха­ рактеристики линейности показаний вихретоковых приборов. При исследовании линейности вихретокового преобразователя (ВП) последний крепился в двойном кронштейне на специальной стойке, имеющей столик. В другом посадочном отверстии стой­ ки устанавливался индуктивный преобразователь «Микрон-2» (погрешность измерения 0,5 мкм). На столик под преобразователь устанавливались: пластина из стали Р18; стальной цилиндр из стали У10А; твердосплавная пластина из сплава Т15К6; прямо­ угольная пластина из сплава Т15К6, расположенная под углом 45° к плоскости ВП. Измерения проводились цифровым вольт­ метром В7-16. Столику от микровинта задавалось перемещение вниз от ВП, что приводило к увеличению зазора. Графики харак­ теристик ВП приведены на рис. 11.15. Линейность показаний в зависимости от типа образца и способа его установки сохраня­ лась до величины зазора 360 мкм.

Вихретоковым методом можно контролировать состояние инструмента не только в статике, но и в динамике (рис. 11.16). Резец 3 с пластинкой из твердого сплава Т15К6 устанавливался в оправке 2, закрепленной в патроне токарного станка 16К20Т1 так, чтобы вылет L вершины резца от оси вращения шпинделя составлял 75 мм, а вихретоковый датчик 4 крепился в резцедержке станка. В статическом режиме ВП подводился к образ­ цу. Величина зазора 0,1 мм в статике измерялась закрепленной в магнитном штативе измерительной головкой 2МИГ (цена де­ ления 2 мкм), установленном на неподвижной части суппорта

Исследования показали достаточно устойчивые линейные за­ висимости характеристик во всем диапазоне частот. Причем чем больше частота вращения, тем выше чувствительность прибора (рис. 11.17, а). При частотах вращения выше 400 мин-1 чувст­ вительность прибора при зазорах 0,1 и 0,4 мм практически не меняется (рис. 11.17, б). Таким образом, контроль состояния ин­ струмента можно осуществлять не только в статическом положе­ нии, но и при скоростях перемещения инструмента до 250 м/мин и более.

Рис. 11.17. Зависимость выходного сигнала U:

а— от частоты вращения п; б — величины зазора S

По сравнению с индикаторами контакта, которые требуют до­ полнительных затрат вспомогательного времени при контроле, применение вихретокового прибора не снижает производитель­ ность станка. Практически для контроля положения режущей кромки или вершины инструмента достаточно на холостом ходу переместить инструмент с зазором 0,1...0,4 мм мимо рабочей плоскости ВП.

Предложенный метод позволяет контролировать положение режущей части каждой пластины многолезвийного инструмен­ та, для чего достаточно подвести его к датчику 2 и включить вращение инструмента (рис. 11.18). Полученная осциллограм­ ма фиксирует положение каждого режущего лезвия (например, фрезы 1 или развертки) в пространстве. Кривая 3 — огибающая, соответствующая расстоянию от вершины каждого из восьми зубьев фрезы 1 до торца вихретокового датчика.

Рис. 11.18. Осциллограмма выходного сигнала U в зависимости от величины зазора S между вершинами зубьев фрезы

и торцом датчика

Проведенные испытания показали, что ВП можно эффектив­ но использовать и для контроля (диагностики) работоспособного состояния инструмента перед работой (например, для обнару­ жения микротрещин у инструментальных пластин). Пластину из сплава Т15К6 вначале сломали, затем обе половинки сложи­ ли без зазора и склеили с помощью другой пластины эпоксид­ ным клеем. Над столиком стойки закрепили ВП (зазор между торцом ВП и пластиной 0,5 мм) и при горизонтальном переме­ щении стойки снимали показания. График на рис. 11.19 наглядно показывает возможность достоверной регистрации наличия тре­ щины в пластине.

Бесконтактный метод для контроля работоспособности режу­ щих инструментов с помощью вихретоковых датчиков имеет ряд преимуществ и широкую область применения.

Вихретоковые приборы показали хорошие функциональные возможности для контроля целостности и износа инструмента для довольно большой группы инструментальных материалов (за исключением керамики).

Рис. 11.19. Зависимость выходного сигнала U от сплошности материала по длине инструментальной пластины L

Возможен контроль инструмента как в статике, так и в дина­ мике, что особенно важно для диагностики состояния многолез­ вийного инструмента, который достаточно сложно проконтроли­ ровать существующими методами. Контроль инструмента можно вести при больших скоростях холостого хода (более 250 м/мин).

Контрольные вопросы

1.Перечислите основные задачи, решаемые АСД.

2.Укажите основные элементы в структуре АСУТП.

3.Перечислите основные функции технических средств диагностики.

4.Объясните назначение основных блоков системы диагностики.

5.Назовите этапы функционирования систем диагностики.

6.Дайте анализ типовых схем реализации встроенных средств системы диагностики.

7.Какие вы знаете виды структурных схем датчиков?

8.Каковы характеристики и измеряемые параметры датчиков?

На этапе производственных приемосдаточных испытаний обо­ рудования ТС сначала производится обкатка, регулировка и на­ стройка важнейших узлов на специализированных стендах. Определяется соответствие характеристик ТС проектной доку­ ментации, проводятся технологические прогоны изделий с заме­ ром параметров. Часть изделий подвергается типовым испытани­ ям по расширенной программе с учетом изменения эксплуатаци­ онных факторов. Проводится предэксплуатационная диагностика.

На этапе эксплуатации ТС определяют работоспособность (на­ дежность) оборудования — выявляют отказы, их причины и «сла­ бые звенья». Диагностика оборудования проводится комплексно для СУ, ПО, электрической и механической частей ТО. Большое значение для обеспечения надежности ТП имеет контроль состоя­ ния инструмента. Диагностирование позволяет установить и обес­ печить оптимальные реяшмы обработки и функционирования оборудования с целью достижения наибольшей эффективности. На всех рассмотренных этапах целесообразно в автоматическом режиме собирать, хранить, перерабатывать и анализировать боль­ шое количество информации.

АСНИ позволяет эффективно выполнять следующие важные технические задачи:

•формирование БД и построение функциональных объект­ ных моделей, характеризующих состояние ТС;

•выявление потоков и объемов информации, циркулирую­ щих в ГПС;

• определение информативных связей между состоянием эле­ ментов технологического модуля (ТМ) и уровнями диагности­ руемых параметров;

• автоматизация сбора, хранения и обработки контрольно-диа­ гностической информации;

• программно-математическая обработка измерительной ин­ формации;

• определение состояния элементов ТС и режущего инстру­ мента в любой момент времени и прогнозирование динамики их изменения;

•визуализация полученной информации;

•выработка необходимых управляющих воздействий.

В общем случае АСНИ металлообработки представляет собой человекомашинный комплекс с высоким уровнем автоматизации,

содержащий компьютерную часть, шины передачи данных, уст­ ройства сбора и предварительной обработки информации, первич­ ные датчики и преобразователи, специальную оснастку. Управле­ ние этим комплексом осуществляет чёловек, который определяет направление и объемы исследований, разработку методического, информационного и программного обеспечения. Исследования, испытания и диагностирование осуществляются АСНИ метал­ лообработки автоматически с помощью компьютерной техники и специального обеспечения.

Методическое обеспечение представляет собой совокупность документов, содержащих описание задач, программу испытаний и их режимы, методы ввода и вывода измерительной информа­ ции, алгоритмы управления и обработки инфррмации, формы итоговых протоколов.

Информационное обеспечение определяет структуры исполь­ зуемых БД, типы и характеристики исходной информации, по­ лучаемой от датчиков, величины статических и динамических погрешностей, методы анализа характера измерительных сиг­ налов, параметры достоверности процессов измерений, режимы опроса измерительной аппаратуры, параметры управляющих воздействий.

Программное обеспечение содержит компьютерные програм­ мы исследований и испытаний, разработанные на тех или иных алгоритмических языках. Процедуры автоматизированных изме­ рений программируются на языках высокого уровня (например, Visual Basic, Visual Он-, Delpfi) и на специализированных языках информационно-измерительных и управляющих систем.

В АСИИ выполняют стандартные преобразования измеритель­ ных сигналов на физическом, информационном и программном уровнях. На физическом уровне при сетевой организации АСНИ преобразование аналогового сигнала производится по схеме: по­ лучение сигнала — усиление — фильтрация — детектирование (выпрямление) — нормализация (приведение к установленному диапазону) — аналогово-цифровое преобразование — дублирова­ ние информации при длинных линиях связи — идентификация адреса — прием сигнала с выдачей метки о приеме — обработка и анализ сигнала — выработка форматов отображения — выра­ ботка управляющих воздействий — хранение.