Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Принципы построения автоматизированной системы бесконтактного контроля качества технологического процесса при обработке на токарном танке с ЧПУ 36
1.1. Принципы построения современных адаптивным систем автоматического управления технологическим процессом обработки на токарных станках 36
1.2. Принципы построения адаптивной системы автоматического управления технологическим процессом обработки на токарных станках, включающий автоматизированную систему контроля структуры материала, измерение размеров
и анализ параметров вибрации в процессе обработки 49
Глава 2. Разработка гидродинамической и акустических моделей для обоснования функциональных возможностей струйного акустического чувствительного элемента 60
2. 1. Стационарная гидродинамическая теория 60
2. 1. 1. Построение гидромодели стационарного потока жидкости 60
2. 1.2. Процедура решения стационарной гидродинамической задачи с помощью метода Жуковского- 62
2.1.3. Решение стационарной-гидродинамической задачи применительно к рассматриваемым акустическим устройствам струйного типа 64
2.1.4. Процедура численного решения гидродинамической задачи для рассматриваемых плоскопараллельных моделей потока жидкости 67
2.1.5. Результаты расчета гидродинамической задачи для. рассматриваемых плоскопараллельных моделей потока жидкости 68
2. 2. Моделирование процесса передачи низкочастотных вибрационных колебаний в плоскопараллельном потоке жидкости 72
2.2.1. Рабочие выражения 72
2.2.2. Результаты расчета
2.3. Моделирование передачи ультразвуковых волн в цилиндрическом потоке жидкости с криволинейной «жесткой» и «мягкой» поверхностью 77
2.3.1. Математический аппарат анализа процессов распространения ультразвуковых волн в акустическом волноводе переменного сечения 77
2.3.2. Результаты расчета 83
2.4. Анализ функциональных возможностей акустооптического оптического метода преобразования параметров ультразвуковой волны в соответствующие параметры оптического пучка 86
Глава 3. Экспериментальные исследования передачи информации о размерах и дефектах с помощью ультразвуковых волн через струю жидкости 93
3.1 Разработка испытательных.стендов и макета струйного акустического чувствительного элемента
3.2. Результаты экспериментальных исследований 96
Глава 4. Разработка функциональных схем АБК материала, размеров и вибрации 103
4.1.1. Построение АСБК-М 103
4.1.2. Построение АСБК-Р 105
4.1.3. Построение АСБК-В 106
4.1.4. Построение гидравлической системы САЧЭ 107
4.2. Экспериментальная проверка функциональных возможностей автоматизированного бесконтактного контроля размеров и параметров вибрации
Заключение
Список литературы
- Принципы построения адаптивной системы автоматического управления технологическим процессом обработки на токарных станках, включающий автоматизированную систему контроля структуры материала, измерение размеров
- Решение стационарной-гидродинамической задачи применительно к рассматриваемым акустическим устройствам струйного типа
- Результаты экспериментальных исследований
- Экспериментальная проверка функциональных возможностей автоматизированного бесконтактного контроля размеров и параметров вибрации
Введение к работе
Актуальность темы. В космической, авиационной, энергетической и транспортной технике используются машины и устройства, которые должны обеспечивать гарантированную надежность работы в течение всего срока эксплуатации. Эта проблема решается за счет преимущественного использования деталей из материалов специального назначения. Но данным материалам свойственен ряд специфических факторов, например: повышенная способность к упрочнению, низкая теплопроводность, высокая химическая активность и сродство с материалом инструмента, склонность к образованию неоднородностей в виде трещин, расслоений, пустот, локальных уплотнений, наличие производственно-технологических дефектов и пр. Эти факторы затрудняют высококачественную механическую обработку деталей. При этом трудно достигаются геометрическая точность и низкая шероховатость обрабатываемой поверхности. Также трудно в процессе обработки сохранить соответствие физико-механических свойств материала заготовки жестким условиям эксплуатации детали.
Решение задачи производства высоконадежных деталей требует совершенствования технологических методов их изготовления с использованием автоматизированного контроля параметров качества материала в течение всего цикла обработки. Эта научно-техническая задача эффективно решается только на основе применения автоматизированных систем адаптивного управления технологическим процессом обработки (САдУ ТПО) на станках с ЧПУ, оснащенных автоматизированными системами бесконтактного контроля (АСБК) качества изготовления деталей.
В современных САдУ ТПО на станках с ЧПУ используются узкоспециализированные АСБК размеров и вибрации заготовки на основе оптических, индукционных, емкостных и вихретоковых датчиков, которые обеспечивают точность измерения до одного мкм. Но их применение ограничивается контролем качества изготовления деталей только простой формы и из определенных материалов.
К автоматизированным системам неразрушающего контроля одновременно размеров и структуры материала относятся ультразвуковые (УЗ) дефектоскопы и толщиномеры. Но при проведении измерений их УЗ источник и приемник устанавливают на поверхности детали, а звукопроводящую среду в виде жидкости пропускают через щель между ними (порядка длины звуковой волны ) или используют контактный слой в виде пленки масла. В силу этого обеспечить контроль требуемых технологических параметров с хорошим качеством в процессе механической обработки технически сложно, а чаще невозможно.
В настоящее время УЗ устройства используются только в узкоспециализированных АСБК, например для контроля процесса проката труб, прутков, лент из металла и пластмассы. Данные АСБК обеспечивают небольшую точность, и их технически сложно использовать на станках с ЧПУ.
Таким образом, разработка АСБК качества механической обработки детали сложной формы из различных материалов на станках с ЧПУ является актуальной научно-технической задачей.
Целью исследований является разработка автоматизированной системы контроля качества изготовления деталей при механической обработке, включающей дефектоскопию, измерение размеров и анализ параметров вибрации, на основе акустических методов измерения с применением струи жидкости.
Для достижения данной цели решались следующие задачи:
1. Обоснование принципов построения автоматизированной системы контроля материала, размеров и вибрации (АСБК-МРВ) при механической обработке на основе струйного акустического, чувствительного элемента (САЧЭ).
2. Разработка гидродинамической модели САЧЭ для оптимизации геометрии его гидравлического канала.
3. Разработка акустической модели САЧЭ, обеспечивающей оптимизацию процесса передачи информационных сигналов о размерах, вибрации и дефектах.
4. Теоретическое и экспериментальное моделирование процесса контроля дефектов и размеров детали с применением макета САЧЭ.
5. Разработка структурной схемы САдУ ТПО на основе АСБК-МРВ и САЧЭ применительно к токарным станкам.
6. Экспериментальная проверка УЗ методов контроля размеров и вибрации при механической обработке с применением макетов АСБК-М и САЧЭ.
Методы и средства исследований. Теоретические исследования выполнялись с применением теории автоматического управления станками, теории передачи информационных сигналов, теории гидродинамических процессов и теории анализа процессов распространения звуковых волн в твердой и жидкой средах. Экспериментальные исследования параметров физических моделей АСБК-МРВ и САЧЭ проводились на разработанных стендах с использованием известных методов анализа акустических процессов и теории планирования эксперимента. Численное моделирование проводилось с помощью программных продуктов «Mathematic-v.5.0», «MatLab-v.6.0», «Spectra-Lab».
Научная новизна работы:
1. Обоснована и разработана АСБК-МРВ на САЧЭ, позволяющая повысить качество контроля технологического процесса механической обработки деталей из различных материалов на станках с ЧПУ.
2. Разработана модель гидродинамических процессов в симметричном, плоскопараллельном потоке идеальной жидкости с криволинейными границами, применимая для оценки оптимальной геометрии гидроканалов в САЧЭ для АСБК-МРВ.
3. Разработана модель прохождения низкочастотных и высокочастотных звуковых волн в симметричном плоскопараллельном потоке идеальной жидкости с криволинейными «жесткими» и «мягкими» границами, применимая для оптимизации процесса передачи информационных сигналов в САЧЭ для АСБК-МРВ.
4. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден принцип автоматизированного контроля размеров, вибрации, дефектов материала заготовки апробированными акустическими методами измерения с применением струи жидкости.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
1. Разработанные принципы построения АСБК-МРВ на основе САЧЭ применимы при токарной обработке для измерения размеров с точностью 1-5 мкм, для фиксирования дефектов с поперечным размером до 0,01 мм2 при определении местоположения с точностью 5-25 мкм и для регистрации вибрационных колебаний амплитудой 1-20 мкм в полосе 0,1-25000 Гц.
2. Разработана базовая конструкция САЧЭ для АСБК-МРВ, защищенная патентом.
3. Разработанный метод и программы моделирования гидродинамических процессов в криволинейном потоке жидкости применимы для расчета и оптимизации геометрии гидравлических каналов в других типах струйных чувствительных элементов для цепей обратной связи АСБК.
4. Разработанные методы и программы моделирования распространения низкочастотных и высокочастотных звуковых волн в жидкой и твердой среде применимы для расчета параметров в других типах струйных акустических чувствительных элементов для цепей обратной связи АСБК.
5. Разработанная АСБК применима в различных типах станков с ЧПУ.
Внедрение результатов. Результаты работы используются в НИОКР «Автоматизация технологических процессов с применением бесконтактных, высокоточных измерительных устройств для контроля физико-технических и геометрических параметров поверхности детали при механической обработке»
(ГК № 7379р/10164 от 28.12. 2009 г.). Ряд результатов используются в НИР «Обеспечение качества прецизионной обработки на основе оперативного мониторинга и оптимальной настройки сложного технологического оборудования в автоматизированном производстве» по Гранту Президента РФ для государственной поддержки молодых российских учёных МД-7455.2010.8. Получены соответствующие акты использования результатов диссертации.
Апробация результатов исследования. Основные результаты диссертации докладывались на международных научно-технических конференциях: «Математические методы в технике и технологиях», ММТТ–21 (Саратов, 2008), ММТТ–22 (Псков, 2009), ММТТ–23 (Саратов, 2010), и на российских научно-технических конференциях: III и IV конференциях молодых учёных РФ «Наноэлектроника, нанофотоника, и нелинейная физика» (СФ ИРЭ РАН, Саратов, 2008, 2009), Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности механообработки на основе моделирования физических явлений» (Рыбинск, 2009); Всероссийской научно-практической конференции молодых учёных «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009, 2010), а также на научных семинарах кафедры КиМО СГТУ.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 30 работах, в том числе 4 статьи в журналах из списка ВАК РФ и один патент РФ.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
1. Разработанные принципы построения АСБК-МРВ на основе САЧЭ, позволяющие повысить качество контроля технологического процесса механической обработки деталей из различных материалов.
2. Модель гидродинамических процессов в симметричном, плоскопараллельном потоке идеальной жидкости с криволинейными границами применима для оценки оптимальной геометрии гидроканалов в САЧЭ для АСБК-МРВ.
3. Модель прохождения низкочастотных и высокочастотных звуковых волн в симметричном плоскопараллельном потоке идеальной жидкости с криволинейными «жесткими» и «мягкими» границами применима для оптимизации процесса передачи информационных сигналов в САЧЭ для АСБК-МРВ.
4. Разработанная функциональная схема и модель АСБК-МРВ, применимая к токарным станкам.
5. Практическая реализация схемы АСБК-МРВ на токарном станке.
Структура работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Изложена на 131 странице, содержит 48 рисунков, 4 приложения, список литературы включает 82 наименования.
Принципы построения адаптивной системы автоматического управления технологическим процессом обработки на токарных станках, включающий автоматизированную систему контроля структуры материала, измерение размеров
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 расширения»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 F в этих случаях равно радиусу R кривизны, излучающей поверхности. За счет этого обеспечивается сужение акустического поля в некоторой области контролируемого объекта.
По способу конструктивного исполнения пьезоэлектрические преобразователи бывают раздельными, состоящими из излучателя, соединенного с генератором импульсного напряжения, и приемника, соединенного с усилителем; совмещенными, в которых пьезоэлемент используется попеременно для излучения и приема ультразвуковых волн; раздельно-совмещенные, в которых рядом расположены пьезоэлемент для излучения- и пьезоэлемент для приема. Все данные типы акустических преобразователей имеют фиксированную конфигурацию лепестка диаграммы направленности излучения и приема ультразвуковых волн, задаваемую их конструкцией и размерами используемого пьезоэлемента.
Современные конструкции дефектоскопов позволяют обнаруживать произ водственно-технологические дефекты размером до 0,05 лш2 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 0,005 мм во всем объеме материала исследуемого объекта с точным измерением их местоположения до 2...5 мкм применяются контактные ультразвуковые чувствительные элементы, в измерительной головке которых используется матричные пьезоэлектрические преобразователи, образующие фазовую дифракционную решётку из приемно-передающих ультразвуковых пьезоэлементов. Отметим, что в ряде случаев устройства на основе акустической фазированной решетки применяются для бесконтактной точной фиксации момента касания.
Различают плоские матричные, круговые сегментные и линейные акустические решетки (рис. 9, а). На практике наибольшее распространение получили акустические решетки, которые представляют собой набор пьезоэлементов одинакового типа, которые установлены равномерно на общем-протекторе вдоль одной линии и-развязаны между собой электрически и акустически (рис. 9, в). Как- и в обычных конструкциях пьезопреобразователей (рис. 8), каждый пьезоэлемент в решетке демпфируется, чтобы подавить паразитную реверберацию ультразвуковых волн. В сущности, акустическая решетка является набором независимых преобразователей, конструктивно объединенных в одном корпусе. Общее число элементов в решетке от 8 до 256 и более. Каждый пьезоэлемент имеет прямоугольную форму. При этом их ширина имеет такие же направленные свойства, как и обычный преобразователь того же размера, т.к. равна от 20 до 40 длин Л звуковой волны. В- поперечном же направлении каждый элемент имеет размер (апертуру) соизмеримую или меньше Л. Физический размер апертуру составляет от единиц до десятых долей миллиметра в зависимости от рабочей частоты/ назначения и варианта конструкции [31].
Основным отличительным свойством малоапертурного преобразователя является формирование широкой диаграммы направленности, симметричной относительно оси апертуры, для нескольких типов излучаемых ультразвуковых волн: продольной волны, поперечной с вертикальной поляризацией относительно излучающей поверхности и поверхностных волн Релея.
На (а) приведена схема фазовой дифракционной решётки, состоящей из двух секций двумерных матриц приемно-передающих ультразвуковых пьезоэлектрических элементов. Горизонтальная излучающая секция (1) обеспечивает направленное излучение зондирующих импульсов в горизонтальной плоскости в пределах ±30 при 60 секторе диаграммы направленности решетки в вертикальной плоскости. Вертикальная приемная секция (2) обеспечивает направленное прием ультразвуковых импульсов в вертикальной плоскости в пределах ±30 при 60 секторе диаграммы направленности решетки в горизонтальной плоскости. Данная конструкция фазированной решетки позволяет исследовать пространство в пределах 60 телесного угла и обнаруживать дефекты (6) раме-ром менее 0,05 мм2. На (б) приведена схема управления двумерной матрицей приемных или передающих ультразвуковых пьезоэлектрических элементов (3) с помощью электрически управляемых фазовращателей (4), которые подключены к усилителю-сумматору (5). На (в) схематически изображена конструкция линейной акустической решетки с мапоаперными пьезоэлементами, где: протектор (7), пьезоэлемент (8) с размерами а Л, b 20 Л, h = Л/2, d 5 h. На (г) схематически изобижены диаграммы направленности продольной волны (L), поперечной волны с ветикальной поляризацией (SV) и волны Релея (R), форми-мируемые одиночным малоапертурным пьезоэлементом.
Если увеличивать апертуру элементов в фазированной решетке, то возрастает эффективность излучения продольной волны, а относительный уровень излучения поперечной волны и волны Релея падают. При этом диаграмма направ 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 Ар, осуществляемое с помощью электронных фазовращателей, можно сдвигать относительно друг друга время возбуждения каждого элемента в решетке. At = Acp/(lnJ) ( / - 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 (Л- Ар / (2nd ).
В случае, когда-в решетке ультразвуковые элементы-располагаются линейно в один ряд, управление направленностью и- фокусным расстоянием F осуществляется в одной-плоскости. Если элементы располагаются в-виде двумерной матрицы, то управление направленностью и F осуществляется в трех измерениях. Угол и фокусное расстояние можно изменять при- каждом повторении зондирующего 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
Решение стационарной-гидродинамической задачи применительно к рассматриваемым акустическим устройствам струйного типа
Многочисленными исследованиями установлено, что при токарной обработке формирование глубины и степени наклепа, остаточных напряжений, шероховатости обработанной поверхности, образование на ней трещин и расслоений и пр. связано с факторами силового воздействия, деформирования, температурой в зоне резания;, которые усиливаются? вовремени [7, 10; 11]. Эти факторы,, прежде всего, проявляютсяшри черновой обработке, когда толщина снимаемых припусков составляет единицы мм при величине продольной подачи от 0; 1 мм/об до нескольких мм/об. Частично они; проявляютсяшри грубой получистовой обработке, когдаї толщина снимаемых припусков; составляет до 0,5 мм при величине продольной подачи в несколько десятков мкм/об . Скорость резания при этих режимах обработки обычно небольшая І и составляет 0-5-3;5:м/с. Но, как: известно [3], при таких скоростях сильнее всего проявляются; факторы, сильно ухудшающие качество обработки. Например,- при; обработке: заготовок из вязких материалов с пониженной скоростью резания может образовываться: наклеп, который существенно увеличивает силовую нагрузку на резец и, может сильно повысить температуру в зоне обработки. При больших силовых нагрузках резца на обрабатываемую поверхность заготовки, из материалов, склонных к расслоению, например,, на основе молибдена, вольфрама и кобальта, - в поверхностном слое и, даже, в приповерхностном слое могут успевать развиваться различные виды микродефектов, способныев дальнейшем перерастать в существенные дефекты [10].
Таким образом, большие силовые нагрузки, высокие температуры в зоне резания и небольшая скорость резания при черной и получистовой обработке приводят к тому, что во многих материалах специального назначения могут закладываться микродефекты и структурные изменения материала в виде микропор и микротрещин, классифицируемые входным и межоперационным контролем сначала как малозначительные, не оказывающие существенного влияния на качество последующие технологий обработки. Но в жестких условиях эксплуатации готовой детали в ряде случаев микродефекты, накапливаясь в материале под воздействием высоких температур, давлений и изгибающих переменных нагрузок, могут развиваться и сливаться, перерастая в дефекты, классифицируемые уже как значительные и критические. Не исключены также случаи, когда при последующих определенных режимах обработки или при применении другой технологии обработки процессы структурных изменений материала заготовки будут развиваться с настолько большой скоростью, что проявят себя как значительные и критические дефекты еще до завершения процесса изготовления детали. Кроме факторов, изменяющих структуру материала, при черновых и получистовых операциях обработки могут закладываться наследственные изменения конфигурации детали в виде седловидности, конусности, бочкообразности, огранености пр.
Эти физико-механические факторы затрудняют высококачественное изготовление деталей сложной формы методами лезвийной обработки. Высокая геометрическая точность трудно достигается- из-за интенсивного износа инструмента, повышенногокоэффициентом линейного расширения материала, большого упругого прогиба заготовки, огранености её поверхности пр. Небольшую шероховатость обрабатываемой поверхности трудно реализовать из-за образования трещин, расслоений, пустот, уплотнений и наклепа на поверхности заготовки и на режущей, кромке инструмента.
Таким образом, решение задачи высококачественного изготовления деталей сложной формы из трудно обрабатываемых материалов специального назначения требует совершенствования как методов обработки резанием, так и совершенствования- высокопроизводительных методов высококачественного контроля процесса точения в течение всего цикла обработки. Эти универсальные системы необходимы в машиностроительном производстве, где высококачественный контроль должен проводиться на каждой операции технологического процесса обработки, связанной с большими силовыми нагрузками на материал заготовки. Данная научно-техническая задача эффективно решаются только на основе применения системы адаптивного управления технологическим процессом, оснащенной автоматизированными системами бесконтактного контроля параметров вибрации, линейных размеров и качества материала. Эта система контроля должна дополнять уже используемые адаптивные автоматизированные системы нераз-рушающего контактного контроля геометрических параметров и режимов обработки, осуществляемые в межоперационные промежутки времени и в процессе операционной обработки.
В данной диссертационной работе предложены принципы построения подобной адаптивной системы автоматического управления технологическим процессом обработки на токарных станках с ЧПУ на основе нового типа автоматизированной системы контроля структуры материала, измерения размеров и анализа параметров вибрации АСБК-МРВ. Структурная схема предлагаемой универсальной-адаптивной системы контроля технологического процесса приведена на рис. 15. Данная адаптивная система включает известную адаптивную систему управления (рис. 14), до настоящего момента используемой и обеспечивающей высококачественный технологический процесс обработки.
Предлагаемая адаптивная система АСБК-МРВ содержит ряд цепей связи с новыми функциональными возможностями. Разомкнутая- цепь включает управляющее устройство УУ-асбк-мрв и чувствительный элемент в виде автоматизированной системы бесконтактного контроля структуры материала и дефектоскопии материала (ЧЭ-асбк-м). Эта цепь связи предназначена для классификации дефектов на малозначительные, значительные и критические во всем объеме заготовки с определением местоположения. Этот контроль проводится перед выполнением операции, а затем в течение операционной обработки. При обнаружении малозначительных дефектов в виде изменений структуры материала или мелких, редких пор и поверхностных трещин, находящихся в пределе снимаемого слоя материала, УУ-асбк-мрв их отмечает в протоколе измерений, дает сигнал оператору, но команды на прекращение процесса обработки не дает.
Результаты экспериментальных исследований
Подставляя в (38) величины (AqBs, AaBs, AjuBs), (AqBu AaBl, А/лв,), 0Чкь AaKh AjiiKk), (AqKo, AaKo A/uKo), Aakl, получаемые при решении системы уравнений (23)-(33) в виде зависимостей от Ah t), выражаем величину изменения силы dN через изменение величины Ahfoft).
Проводится интегрирование (3.22) по переменной "в пределах интерва лов [Сыс, Сек] соответствующих активным участкам [гьк, zct] поверхности рабочей камеры акустического датчика вибрационных колебаний (под активной поверхно стью понимается поверхность пьезоэлектрической пластины). При этом величины ьк, Zek задаются- выражениями z = Z(bk) и z-ek Z( /t), получаемые путем вычис ления уравнения (6). На участках поверхности сопла и рабочей камеры, соответствующих поверхности пьезоэлектрических преобразователей, суммарные силы N определяются интегрированием (38) по САмплитуда колебательного давления N жидкости связана с амплитудой Ahics через коэффициент преобразования Кри в виде N = Kph- Ah .
Анализ проводился для, моделей на рис. 29; а.б и рис. 30 а,б, в которых поверхность канала сопла и поверхность рабочей камеры, расположенной напротив отверстия сопла, являются, рабочими, поверхностями пьезоэлектрического преобразователя.
Математические модели вибродатчика с каналом сопла в виде щели. Пластина пьезо-элемента, длиной dp/hki = 2, совмещена с соплом (а) или расположена напротив сопла (б). Приведены графики зависимости Khp от длины струи hks/hki при db/hki =0,75 (1), db/hki = 1 (2), db/hki = 1,5 (3) (в) для модели (а) и графики (г) для модели (б). График зависимости Khp от db/hki при hks/hki = 1 и dp/hki = 2 для модели на рис. 3.12 (д). Графики зависимости Khp от dp/hki для модели на (а) при db/hki = 1 (1),и db/hki = 2 (2) (е). 48501406492197
Математическая модель вибродатчика с каналом сопла в виде криволинейной пластины пьезоэлемента с радиусом скруглення Rp/hki = 1(а, б, в) и Rp/hki = 2 (г, д). Графики зависимости Khp от hks/hki при db/hki = 0,75 (1), db/hki = 1 (2), db/hki =1,5 (3) (б, д). Графики зависимости коэффициента Khp от db/hki при hks/hki = 1 (в).
Из рисунков. 28 и 29 следует, что, когда стенка сопла является пьезоэлектрическим преобразователем, величина Крі, на 1-2 порядка больше, чем для случая, когда верхняя стенка рабочей камеры является пьезоэлектрическим преобразователем. При этом с увеличением радиусом скруглення Rp/hki поверхности сопла (радиуса скруглення поверхности пьезоэлектрического элемента) величина KPh увеличивается в. 1,5.. .2 раза.
Из расчетов следует важный для практики вывод: для заданной геометрии подводящего канала, рабочей камеры и канала сопла и заданной V течения жидкости при hjden — 0,5... 3,5 выполняется условие Kph(h ) const.
Моделирование передачи ультразвуковых волн в цилиндрическом потоке жидкости с криволинейной «жесткой»и «мягкой» поверхностью Постановка и решение УЗ акустической задачи основывается на работах Ре-лея Дж., Скучика Е. Дж, Красильникова В. А., Каневского И. Н. Рассматривалось распространение ультразвуковой волны в заполненном неподвижной жидкостью плоскопараллельном волноводе переменного сечения с «мягкими» и «жесткими» стенками. В качестве волновода использовалась модель на рис. 20,а. 2.3.1. Математический аппарат анализа процессов распространения ультразвуковых волн в акустическом волноводе переменного сечения Для решения гидродинамической задачи по прохождению звуковых волн через струю жидкости используем модель цилиндрического потока идеальной жидкости с поперечным сечением, изображенным на рис. 30. В данной модели звуковые волны возбуждаются на участке торцовой поверхности 2 подводящего канала, а затем распространяются через рупорообразный канал выходного сопла 4 и струю жидкости 5 до поверхности 6. Отражаясь от нее, звуковые волны распространяются в обратном направлении до поверхности 2. В этом случае поток жидкости образует акустический резонатор в. виде нерегулярного вдоль оси цилиндрического волновода с изменяющимися граничными условиями на боковой поверхности. На концах волновод замкнут плоскими поверхностями. Поверхность волновода, образуемая стенками подводящего канала 2 и 3, сопла 4 и поверхностью 6;.соответствует «жесткой» границе, на которой переменная скорость в звуковой волне равна нулю, а поверхность волновода, образуемая поверхностью струи 5, соответствует «мягкой» границе, на которой переменное давление в звуковой волне равно нулю.
Линиями обозначены границы разбиения потока жидкости на отрезки цилиндрического акустического волновода, образующие акустические ячейки. Изображение двух типов акустических ячеек в виде цилиндрических волноводов с «мягкими» стенками. Первый волновод (б) имеет радиус Rn и длину dn, второй волновод (в) имеет радиус Rn.n и длину dn+i. Акустические ячейки с «жесткими» стенками имеют аналогичный вид.
Для определения волновых параметров акустического резонатора необходимо решить акустическое волновое уравнение с учетом криволинейной геометрии продольного сечения резонатора и чередования граничных условий первого и второго рода на его стенках. Обычно для этого требуется применение трудоемких численных сеточных методов [42, 44]. Но методику численного расчета можно существенно упростить, если описание волновых процессов провести в рамках матричного подхода [43, 44]. С этой целью поток жидкости вдоль оси акустического волновода разбивается на акустические ячейки в виде отрезков цилиндрического звукового волновода диаметром dC(n) и длиной hC(„). На его поверхности задаются граничные условия первого и второго рода в соответствии с исследуемой моделью (рис. 1). В этом случае ячейки с «жесткими» боковыми стенками располагаются вдоль оси подводящего канала и сопла, а ячейки с «мягкими» боковыми стенками располагаются вдоль оси струи жидкости.
В пределах каждой п — ой ячейки акустическое волновое уравнение решается аналитически, если ввести потенциал скорости Ф(г, z). Тогда решение можно представить в виде системы уравнений, задающих потенциал скорости Фь („)(r, z) на верхнем торце ячейки через потенциал скорости Фе (n)(r, z) на ее нижнем торце [44]. В зависимости от типа граничных условий на поверхности волновода ячейки функции Фъ (п)(г, z) и Фе („)(г, z) представляются в форме разложения по ортогональным функциям: по радиусу волновода г в виде ряда по функциям Бесселя Jo(2Xn,m r/dj или Ji(2xn.m r/d„), а вдоль.оси волновода ячейки (по координате z) в виде суммы функций exp(±J$„,mz) (хп,т- корни уравнений J0(x„.nJ=0 или Ji(x„,mn)=0).
Для определения геометрических параметров ячеек и их числа требуется задание конфигурации поверхности канала сопла и свободной поверхности струи жидкости в аналитическом или табличном виде. Для этого можно использовать решение стационарной гидродинамической задачи с соответствующими граничными условиями, рассмотренные в разделе 2.1. данной работы.
Экспериментальная проверка функциональных возможностей автоматизированного бесконтактного контроля размеров и параметров вибрации
Экспериментальная проверка возможности использования известных УЗ методов контроля размеров и вибрации при механической обработке с применением макетов АСБК-М, АСБК-В и гидроструйно-акустического блока САЧЭ была проведена на токарных станках с ЧПУ моделей ТПК 125 (рис. 46а) и ПАБ 350.
Результаты эксперимента, демонстрирующие возможность автоматизированного контроля диаметра 0 заготовок из алюминия и бронзы на станке модели ТПК 125 приведены на рис. 466, в. В данном случае УЗ импульсы тим= 100 не направлялись через струю воды длиной 30 мм (скорость течения жидкости 1.5 м/с) перпендикулярно поверхности заготовки, вращающиеся с частотой 120 об/мин.
Измерение 0 проводилось по А-разверткам с помощью «эхо» метода. В качестве примера на рис. 46а приведены А-развертка для заготовки из алюминия с 0 23 мм, а на рис. 46в - для заготовки из бронзы с 0 27 мм. При применении «электронной лупы» для визуализации временного интервала, соответствующего индикации на экране осциллографа сигналов УЗ импульсов, отраженных от верхней и нижней закругленных сторон заготовки, точность измерения 0 составила 15...20 мкм.
Рис. 46. Изображение контроля размеров с помощью АСБК-М в процессе механической обработки (а). А-развертки (б) и (в): здесь изображены: 1 - сигнал зондирующего импульса, 2 - сигнал импульса, прошедшего в обе стороны по струе после отражения от верхней стороны заготовки, 3 — сигнал УЗ импульса, двукратно прошедший в обе стороны по струе после однократного отражения от ПЭП и двукратного отражения от поверхности заготовки, 4 - сигнал УЗ импульса, однократно отраженного от нижней стороны заготовки и вернувшегося через струю к ПЭП
На рис. 47 приведены результаты эксперимента, демонстрирующие измерение величины огранености поперечного профиля поверхности (а) заготовки-прутка из эбонита 0 35 мм и длиной 350 мм, а также измерение отклонение размера диаметра заготовки вдоль оси (б), вызванные упругим прогибом материала при «черновой» и «получистовОй» токарной обработке на станке модели ТПК 125, Выданном случае УЗ импульсы т1Ш= 100 не направлялись через струюводы длиной 25 мм-(скорость течения жидкости 1.5 м/с) перпендикулярно поверхности заготовки. Точность измерения «эхо» методом составляла 10-15 мкм.
Экспериментальная проверка возможности измерения амплитудно-временной характеристики вибрации цилиндрической заготовки в процессе обработки проводилась на станке ПАЕ» 350. На корпусе САЧЭ был установлен вибродатчик типа ВД-06; который фиксировал колебания корпуса САЧЭ. Этот информационный- сигнал для. определения его амплитудно-временной характеристика обрабатывался на ЭВМ-с помощью программы. «Spectra-Lab». Вычисленные данные вычитались из данных амплитудно-временной характеристики вибрации. поверхности вращающейся заготовки, которые поступали на ЭВМ с НЭП в САЧЭ. В данном случае УЗїимпульсьі длительностью 100 не направлялись через струю воды длиной 35:мм (скорость теченияжидкости 1,0 м/с) перпендикулярно поверхности заготовки, вращающиеся с частотой 160 об/мин
Нарис.48 показаны результаты измерений амплитудно-временных характеристик, снятых с поверхности заготовки из бронзы 027 мм в момент запуска (а) и торможения (б) шпинделя станка, а также в процессе обработки (в) и (г). Из рисунков следует, что принципы построения гидроакустического блока САЧЭ по 111 зволяют измерять вибрацию с минимальной амплитудой колебаний порядка 2.5...5 мкм при максимальной амплитуде до 35 мкм.
В заключении изложим основные результаты исследований и положения, полученные в диссертационной работе
1. Разработаны принципы построения и обоснованы функциональные возможно сти нового типа автоматизированной системы бесконтактного контроля па раметров 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 техноло гического процесса при токарной-обработке позволяет: - измерять размеры с точностью 1... 10 мкм (показано теоретически),. - обнаруживать дефекты до 0,0 Г мм с точностью определения местоположения 5...25 мкм на расстоянии до 1000 мм (показано теоретически и экспериментально), - регистрировать вибрационные колебания-поверхности амплитудой 2,5...35 мкм в полосе 0,1 ...25000 Гц (показано теоретически и экспериментально).
3. Разработаны принципы построения гидроакустического блока чувствительного струйного акустического элемента на основе передачи соответствующих инфор мационных сигналов через струю жидкости с помощью низкочастотных, объем ных волн давления, а также с помощью продольных и поперечных ультра звуковых волн,. На их основе разработана конструкция данного гидроакустиче ского 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. Є 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 скруглення 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.
