CC BY
118
УДК 658.012
А.А. Игнатьев, А.Р. Бахтеев
АВТОМАТИЗАЦИЯ РАСПОЗНАВАНИЯ ДЕФЕКТОВ ШЛИФОВАННЫХ ДЕТАЛЕЙ В СИСТЕМЕ МОНИТОРИНГА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
ПРОИЗВОДСТВА ПОДШИПНИКОВ
Представлены принципы организации автоматизированной системы мониторинга и управления технологическим процессом производства деталей подшипников, предложена методика автоматизированного анализа результатов вихретокового контроля поверхности шлифованных деталей подшипников для распознавания и классификации дефектов.
A.A. Ignatyev, А^. Bahteev POLISHING DETAILS DEFECTS RECOGNITION AUTOMATION IN THE SYSTEM OF МОNITORING OF BEARING PRODUCTION TECHNOLOGICAL PROCESS
Principles to organizations of automatic system мотЮпщ and management of technological process of production of details of bearings are presented in this article. The strategy of automatic analysis of results of a vortex-current surface controlling of polishing details of bearings for the recognition and categorizations of defects is given here as well.
В настоящее время в условиях высокотехнологичного производства (в частности -многономенклатурного) необходимо оперативно решать ряд взаимосвязанных технических и технологических задач, связанных с оценкой технического состояния прецизионного оборудования, автоматизацией измерений, обработкой результатов и формированием воздействий на технологические процессы (ТП), то есть проводить мониторинг ТП [1].
Общее понятие мониторинга, сформулированное А.В. Пушем, включает диагностику, идентификацию, прогнозирование и управление ТП на основе анализа информации, а также принятие решение о корректировке [2]. Автоматизация контроля в системе мониторинга ТП (СМТП) играет важную роль в производстве. В данный момент существует большая номенклатура промышленных средств измерений параметров ТП различного рода, а также имеется возможность переналадки обрабатывающего оборудования, выбора сырья, совершенствования технологии производства. В связи с большим количеством контролируемых параметров и управляющих воздействий в рамках автоматизации производится оснащение промышленных предприятий необходимым технологическим оборудованием, системами контроля качества, современными техническими средствами, такими как промышленные компьютеры, устройства сбора данных и управления, коммуникационное оборудование [3, 4].
Несмотря на значительные успехи в области автоматизации промышленных предприятий, конечным итогом автоматизации на практике, как правило, является создание двух подсистем в рамках АСУ ТП - подсистемы контроля (мониторинга) и подсистемы управления ТП, которые не имеют четкой формализованной связи.
Решения об изменениях параметров ТП по результатам его контроля принимаются специалистами на основании знаний, опыта и интуиции. При этом исходные посылки (результаты контроля) в некоторых случаях могут интерпретироваться субъективно, особенно в случаях, где в явном виде неприменимы количественные оценки. В качестве примера можно привести вихретоковый метод контроля, который широко применяется в промышленности (в частности в ОАО «Саратовский подшипниковый завод») при контроле и мониторинге качества деталей подшипников [5, 6, 7].
Для организации контроля ТП производства подшипников в ОАО «Саратовский подшипниковый завод» потребовались разработка способа мониторинга и внедрение новых автоматизированных технических средств - виброизмерительного комплекса и приборов вихретокового контроля. Реализуемый способ заключается в том, что оперативный контроль качества обработки осуществляется автоматизированным вихретоковым методом, позволяющим установить степень неоднородности физикомеханических свойств поверхностного слоя шлифованных деталей. При необходимости дополнительно определяются спектр колебаний жесткой опоры кольца и спектры колебаний шпиндельных узлов шлифовальных станков. Совместный анализ вихретоковых образов обработанных деталей и спектров колебаний жесткой опоры и шпинделей позволяет оценить качество поверхностного слоя деталей и причины его отклонений и, в другом случае, оценить уровень вибраций и влияние их на качество поверхностного слоя при различных условиях шлифования [1, 8, 9].
Весь комплекс средств автоматизации мониторинга ТП, производства деталей подшипников, применяемый в ОАО «Саратовский подшипниковый завод», можно представить в виде схемы, изображенной на рис. 1.
Рис. 1. Мониторинг технологического процесса производства деталей подшипников
Паспортизация по динамическим характеристикам и периодический контроль технологического оборудования (ТО) обеспечивают обслуживающий персонал достоверными данными об изменении его динамического состояния. Современные переносные компьютерные системы для измерения и анализа вибрации, не требующие встраивания измерительных датчиков в ТО, позволяют организовать его обслуживание и ремонт по фактическому состоянию. Эти системы предотвращают поломки и простои ТО, предупреждают выпуск бракованной продукции на оборудовании, теряющем технологическую надежность.
Идентификация дефектов деталей подшипников вихретоковым методом позволяет выявлять поверхностные и подповерхностные дефекты изделий и служит основой для СМТП. Выявление, распознавание и классификация дефектов позволяет исключить попадание к потребителям бракованных изделий, что особенно важно при производстве авиационных, железнодорожных и некоторых других видов подшипников. В настоящее время анализ дефектов проводят специалисты. Разработка автоматизированной системы распознавания, которая проводится в настоящее время, позволит исключить субъективные оценки, повысить качество контроля, а также автоматически сохранять информацию и использовать эти данные в общей системе мониторинга.
Методика выявления, распознавания и классификации дефектов при вихретоковом методе контроля сводится к следующему:
1. Определение диапазона допустимых значений сигнала вихретокового преобразователя (ВТП) (для фазового и амплитудного канала) для данного вида деталей подшипников;
2. Выявление отклонения сигнала ВТП в точке поверхности контролируемой детали из диапазона допустимых значений сигнала ВТП (для фазового и амплитудного каналов);
3. Выявление характера изменений сигнала ВТП в точке поверхности контролируемой детали;
4. Выявление и разделение зон неоднородностей на поверхности контролируемой детали, имеющих одинаковый характер изменений сигнала ВТП;
5. Определение зон неоднородностей, характерных для каждого типа дефектов (трещин, прижогов, напряженностей, метальных обеднений, затиров, деформаций и др.);
6. Выявление типичных дефектов путем объединения зон неоднородностей, характерных для этих дефектов;
7. Выбраковка деталей на основании характера изменений сигнала ВТП в зоне дефекта, типа выявленного дефекта и их площади.
Путем проведения замеров на автоматизированной системе вихретокового контроля ПВК - К2М установлены граничные значения для диапазона допустимых значений сигнала фазового и амплитудного каналов [1, 10]. Характер изменения сигнала
ВТП был определен в зависимости от характера отклонений сигналов от установленных граничных значений.
В зависимости от геометрических характеристик неоднородности были отнесены к одному из классов: «фигурные» неоднородности; «прямоугольные» неоднородности; «круглые» неоднородности; «выпуклые» неоднородности (рис. 2).
Классификация зон проводилась на основании ряда параметров неоднородностей, значения которые вычислялись автоматически с помощью специально разработанного программного обеспечения. Этими параметрами являлись - площадь неоднородности (£0); выпуклая площадь - площадь выпуклой фигуры, в которую вписана неоднородность (£у), площадь ограничивающего прямоугольника (£р); периметр области неоднородности (Р); ориентация - угол в градусах между максимальной осью инерции и осью X (а). Характеристики показанных на рис. 2 выявленных неоднородностей приведены в таблице.
Решающие правила классификации по геометрическим признакам входят в базу знаний экспертной системы, с помощью которой классификация проводилась. Структура логического вывода описанной части экспертной системы отображена на рис. 3.
Рис. 2. Образы выявляемых дефектов: а - «фигурная» неоднородность (сетка трещин); б, в, е - «прямоугольные» неоднородности (напряженность, метальное обеднение); г - «круглая» неоднородность (забоина), д - «выпуклая» неоднородность (полоса натира)
Геометрические характеристики дефектов
Неоднородность *_%. к _ 4п^0 2 р 2 к _ V К3 _ а
«Фигурная» (рис. 2, а) 0.3034 0,066 0.1854 -
«Прямоугольная» (рис. 2, б) 0.5879 0,217 0.4389 90.681
«Прямоугольная» (рис. 2, в) 0.6631 0,301 0.5726 94.206
«Круглая» (рис. 2, г) 0.8837 0,912 0.6667 -
«Выпуклая» (рис. 2, д) 0.9142 0,733 0.6396 -
«Прямоугольная» (рис. 2, е) 0.6682 0,203 0.2034 -33.142
Анализ результатов вихретокового контроля показал, что область уменьшения амплитуды и фазы сигнала ВТП, как правило, является образующим элементом дефекта, и в большинстве случаев позволяет идентифицировать дефект. В случае, если при уменьшении амплитуды и фазы сигнала ВТП неоднородности дефект определяется, то проводится связывание граничащих неоднородностей - выявляется дефект целиком. Таким образом, успешно распознаются прижоги, забоины, трещины. В случае увеличения амплитуды сигнала ВТП на фоне уменьшения фазовой составляющей выявляются
метальные обеднения, трооститные пятна, в случае уменьшения амплитуды сигнала ВТП на фоне увеличения фазовой составляющей выявляются - метальные, термические обеднения, натиры, напряженности. Для связывания областей и идентификации дефектов целесообразно применять экспертные системы и генетические алгоритмы.
В качестве данных для проверки модели классификации на основе экспертной системы были взяты визуализированные данные вихретокового контроля 26 деталей буксовых подшипников, имеющих различные виды неоднородностей. При проведении анализа 26 результатов вихретокового контроля наиболее успешно были идентифицированы пятнистые и столбчатые прижоги, забоины, напряженные состояния поверхностного слоя. В настоящий момент продолжается работа, направленная на совершенствование модели в плане использования новых характеристик и улучшение решающих правил, построение решающих правил для остальных типов дефектов, оптимизацию алгоритмов.
Рис. 3. Структура логического вывода экспертной системы
После анализа информации все характеристики ТО, параметры изделий и другие данные фиксируются в базе данных результатов контроля ТП и используются при анализе экспертной системой:
• для построения зависимостей, связывающих значения показателей,
характеризующих режим работы ТО (скорость резания и подачи), с характеристиками его состояния;
• для поиска связей параметров обрабатываемых деталей с характеристиками состояния ТО;
• для получения рекомендаций по управлению ТП.
На основе сопоставительного анализа данных о состоянии ТП и качестве колец подшипников оцениваются степень и возможные причины разладки технологической системы на конкретном станке, и при негативных результатах производится его подналадка или ремонт. В случае применения современного оборудования корректировка
режимов производства и обработки деталей подшипников может проводиться в автоматическом или полуавтоматическом режиме.
Предложенная методика автоматизированной идентификации дефектов деталей подшипников для СМТП позволяет создать единый комплекс АСУ ТП, перевести управление ТП на качественно новый уровень, объединить подсистемы контроля и управления ТП, охватить больший объем выборки контролируемых изделий и снизить себестоимость контроля качества продукции.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мониторинг станков и процессов шлифования в подшипниковом производстве / А. А. Игнатьев, М.В. Виноградов, В.В. Горбунов и др. Саратов: СГТУ, 2004. 124 с.
2. Пуш А.В. Моделирование и мониторинг станков и станочных систем / А.В. Пуш // СТИН. 2000. № 9. С.12-20.
3. Воронцов Л.Н. Приборы для автоматического контроля размеров в машиностроении / Л.Н. Воронцов, С.Ф. Корндорф. М.: Машиностроение, 1988. 280 с.
4. Маклаков А.В. Система менеджмента качества компании «Фаствел» / А.В. Маклаков // Современные технологии автоматизации. 2004. № 1. С.74-79.
5. Герасимов В.Г. Методы и приборы электромагнитного контроля промышленных изделий / В.Г. Герасимов, В.В. Клюев, В.Е. Шатерников. М.: Энергия, 1983. 217 с.
6. Дорофеев А.Л. Физические основы электромагнитной структуроскопии / А.Л. Дорофеев, Р.Е. Ершов. Новосибирск: Наука, 1985. 180 с.
7. Игнатьев А.А. Автоматизированная вихретоковая дефектоскопия деталей подшипников / А.А. Игнатьев, А.М. Чистяков, В.В. Горбунов // СТИН. 2002. № 4. С. 1719.
8. Горбунов В.В. Управление технологическим процессом производства подшипников на основе мониторинга технологического оборудования / В.В. Горбунов, А.С. Чечнев, А.А. Игнатьев // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2003. С. 77-80.
9. Мониторинг качества изготовления изделий прецизионного машиностроения / А.А. Игнатьев, В.А. Иващенко, В.В. Горбунов и др. // Высокие технологии - путь к прогрессу: сб. науч. тр. Саратов: Научная книга, 2003. С. 179-186.
10. Бахтеев А.Р. Автоматическое выявление и классификация дефектов деталей подшипников на основе данных вихретокового контроля / А.Р. Бахтеев // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2005. С. 14-17.
Игнатьев Александр Анатольевич -
доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета
Бахтеев Андрей Ринатович -
аспирант кафедры «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета
