CC BY
13
^ДИАГНОСТИКА И РЕМОНТ
УДК 620.179.119
АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПОКРЫТИЙ ИЗДЕЛИЙ СЛОЖНОЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ
М.С. Губин
Университет ИТМО, Россия, 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, лит. А.
В данной работе рассмотрены существующие проблемы неразрушающего контроля (НК) основных параметров покрытия сложно-профильных изделий. Для их решения предложено разработать автоматизированную технологию комплексного НК основных параметров покрытия сложно-профильных изделий. Проведен анализ методов НК, определены основные требования к автоматизированной установке на основании которых выполнен анализ существующих технических решений. Разработана кинематическая схема механизма позиционирования средств измерения. Определена зависимость длин звеньев механизма позиционирования средств измерения от основных размеров сложно-профильного изделия.
Ключевые слова: автоматизация неразрушающего контроля, контроль толщины никель-хромового покрытия, контроль дефектов покрытия, современное состояние технологий неразрушающего контроля.
AUTOMATION OF THE TECHNOLOGY OF COMPLEX NON-DESTRUCTIVE QUALITY
CONTROL OF COATINGS OF PRODUCTS OF COMPLEX GEOMETRIC SHAPE
M.S. Gubin
ITMO University, Russia, 197101, St. Petersburg, Kronverksky pr., 49, lit. A.
In this paper, the existing problems of non-destructive testing (NDT) of the main coating parameters of complex profile products are considered. To solve them, it is proposed to develop an automated technology for complex NC of the main coating parameters of complex profile products. The analysis of NC methods is carried out, the basic requirements for an automated installation are determined, on the basis of which the analysis of existing technical solutions is carried out. A kinematic scheme of the positioning mechanism of measuring instruments has been developed. The dependence of the lengths of the links of the positioning mechanism of measuring instruments on the basic dimensions of a complex profile product is determined.
Keywords: automation of non-destructive testing, nickel-chrome coating thickness control, coating defect control, current state of non-destructive testing technologies.
Введение
На данный момент находят применение тепловые агрегаты, обладающие высоким удельным импульсом. Основной составной теплового агрегата является сложно-профильное изделие, предназначенное для изменения скорости проходящего высокотемпературного газового потока. Повышение долговечности и безотказности сложно-профильных изделий является актуальной и своевременной задачей на данный момент.
Производство данных изделий осуществляется в соответствии с предъявляемыми техническими требованиями. Основным этапом в технологической цепочке является нанесение металлического и неметаллического покрытия на внутреннюю огневую стенку рисунок 1, ос-
новная задача которого заключается в повышении термостойкости [1]. На безотказность и долговечность влияют такие параметры как: толщина покрытия, размеры поверхностных и подповерхностных дефектов огневой стенки. Отклонения данных параметров от допустимых диапазонов может приводить к преждевременному выходу из строя изделия, что является недопустимым при эксплуатации. Поэтому контроль основных параметров является неотъемлемой операцией в технологической цепочке. На данный момент существует ряд технологий неразрушающего контроля основных параметров никель-хромового покрытия, которые находят применение на предприятиях, изготавливающих сложно-профильные изделия. Измерение толщины хром-никелевых покрытий осуществляется с помощью толщиномеров, работающих
Губин Максим Сергеевич - аспирант, тел.: +7 (951) 663-24-87, еmal: gubin.maxim@mail.ru.
на магнитных методах [2]. Измерение дефектов осуществляется с помощью средств измерения в основе которых лежит вихретоковый метод не-разрушающего контроля. Проведение обмеров происходит в ручном режиме в соответствии с инструкционной картой контроля в конкретных точках определенных сечений. Технология не-разрушающего контроля в ручном режиме влияет на трудоемкость, оперативность и достоверность, за счёт субъективного фактора. Автоматизация технологии комплексного неразрушаю-щего контроля способна повысить достоверность, оперативность и понизит трудоёмкость.
Рисунок 1 - Эскиз сложно-профильного изделия
Формирование основных требований к автоматизированной установке
В ходе анализа было определено, что измерение толщин никель-хромовых покрытий осуществляется с помощью датчиков, основанных на пондеромоторном методе контроля. Сущность метода заключается в намагничивании никель-хромового покрытия и измерении отрывной силы постоянного магнита. Применение данного метода обуславливается физическими свойствами используемых защитных материалов и диапазонами толщин данных покрытий 1. Преимуществом данного метода является то, что информация о толщине предоставляется на участке покрытия, непосредственно прилегающем к точке контакта магнита с изделием, размер которого зависит от диаметра полусферического наконечника постоянного магнита, что делает возможным применение этого метода на геометрически сложных объектах [3]. Известно, что на работоспособность изделия, влияют размеры дефектов в поверхностных и подповерхностных слоях никелевого, хром-никелевого по-
крытия. Как показывает практика, для выявления дефектов в поверхностных и подповерхностных слоях покрытия с раскрытием от 100 мкм используются средства измерения в основе которых лежит вихретоковый метод, основанный на индукции электрического тока в проводящем материале. Измеряемый и анализируемый параметр относится к распределению индуцированных токов. При переменном возбуждении он представляет собой вектор в комплексной плоскости [4].
На основании проведенного анализа методов НК, были сформированы основные требования к автоматизированной установке:
- контакт средств измерений с поверхностью сложно-профильного изделия;
- позиционирование вихретокового средства измерения по нормали к поверхности сложно-профильного изделия;
- перемещение средств измерения по всей поверхности сложно-профильного изделия.
Анализ существующих технических решений
На основании сформированных требований в части НК основных параметров покрытия проводился анализ существующих технических решений.
Роботы, работающие в полярной цилиндрической системе координат [5] способны перемещать измерительное оборудование по траектории, схожую с формой сложно-профильного изделия, также имеют возможность совершать вращение тем сам обеспечивая подвод датчика к каждой точки поверхности сложно-профильного изделия.
Рисунок 2 - Кинематические схемы роботизированных устройств, работающих в полярно-цилиндрической системе координат [5]
4
СПбГЭУ
При переходе к существующим техническим исполнениям, было определено, что основное предназначение данных роботизированных систем заключается в автоматизации погрузо-разгрузочных работ и обслуживании технологического оборудования, чем и обуславливается высокая грузоподъемность, габариты и маленькая точность. При рассмотрении применимости на сложно-профильных изделиях затрудняется перемещение средств измерения в зоне критики.
Промышленные роботы, работающие в ангулярной системе координат показанные на рисунке 3 и рисунке 4, имеют возможность выполнять перемещения по необходимой траектории. Обладают необходимой компактностью, точностью позиционирования. Но наряду с преимуществами не обладают достаточными степенями свободы для перемещения датчика по всей поверхности ОК.
Рисунок 3 - Кинематические схемы роботизированных устройств, работающих в ангулярной сферической системе координат [5]
Рисунок 4 - Кинематические схемы роботизированных устройств, работающих в ангулярной цилиндрической системе координат [5]
Как показывает анализ, данные технические системы способны выполнять необходи-
мые функции и удовлетворяют заданным требованиям, но из-за специфики формы сложно-профильного изделия делается невозможным их применение.
Поэтому принято решение в разработке автоматизированной установке, основной этап заключался в формировании кинематической схемы.
Разработка кинематической схемы устройства позиционирования средств измерения
По результатам проведенного анализа методов НК автоматизированная установка должна обеспечить:
- контакт средств измерений с поверхностью сложно-профильного изделия;
- позиционирование вихретокового средства измерения по нормали к поверхности сложно-профильного изделия;
- перемещение средств измерения по всей поверхности сложно-профильного изделия.
Формирование кинематической схемы автоматизированной установки зависит от сформированных требований, геометрии поверхности, а также показателей качества модели [6]. Объект представляет тело вращения со сложным профилем, так как необходимо обеспечить позиционирование к каждой точке поверхности, кинематическая схема должна включать составные части, совокупная работа которых обеспечивает перемещение средств измерения по заданной траектории.
В результате была разработана кинематическая схема, приведенная на рисунке 5.
Рисунок 5 - Кинематическая схема устройства позиционирования средств измерения
Данная кинематическая схема удовлетворяет заданным требованиям, необходимым количеством степеней свободы, обладает высокими показателями маневренности, манипуля-тивности, а также обладает минимальным количеством сочленений и звеньев, необходимых для позиционирования средств измерения в заданную точку на поверхности сложно-профильного изделия, что напрямую связано с минимальной погрешностью позиционирования средств измерения. Совокупность узлов позволяет осуществить поступательное перемещение и вращение средства измерения 1 (СИ1) и средства измерения 2 (СИ2) вокруг оси £0, и сложный поворот относительно оси Хо на угол в1,02, обеспечивая перемещение по заданной траектории. Для существующей технологии, учитывая форму сложно-профильного изделия, необходимо устанавливать объект, обеспечивая соосность сложно-профильного изделия и устройства позиционирования измерительных модулей. Основные параметры устройства позиционирования СИ1 и СИ2 зависят от конкретной поверхности сложно-профильного изделия, которая задается координатами х¿, уг г^ относительно неподвижной системы координат. Для выбранной кинематической схемы определение длин зависит от следующих условий:
- координаты максимально удаленной точкой поверхности по оси У0, координаты данной точки зависят от Отах, где Отах - максимальный диаметр сложно-профильного изделия
- длина звена не должна превышать значение Ккр.
где Ккр - радиус критики сложно-профильного изделия.
СИ1 и СИ2 максимально удаляется от оси устройства позиционирования по У0, при в1 = 90°,в2 = 0о.
Наиболее удаленная точка сложно-профильного изделия имеет координаты (х утах г), тогда при начальном расположении сочленения в координате 2, появляется возможность определить минимальное значение длин звена 1 и звена 2:
(¿1 + 12= Утах
1Л<Я
кр
где 11 - длина звена 1;
12 - длина звена 2;
Ккр - радиус критики сложно-профильного изделия
Если начальное положение механизма не совпадает с началом неподвижной системы координат на величину Аг. То минимальное значение звеньев вычисляется по формуле:
^1 + ^2= VУтах + А^2
к < Ккр
Рисунок 6 - Формирование системы координат для устройства позиционирования СИ1 и СИ2
6
СПбГЭУ
Для данного устройства позиционирования СИ1 и СИ2 сформированы системы координат, показанные на рисунке 4 и составлены однородные матрицы преобразования координаты СИ1 и СИ2 в базовую систему координат [7].
М =
cos02 —sin02 0 —Z2sin02
sin02 cos02 0 Z2cos02
0 0 1 0
. 0 0 0 1
M =
cos03 —sin03 0 —^т03
sin03 cos03 0 Z1COs03
0 0 1 0
0 0 0 1
¿1 =
cos 0-! sin ^ —sin 0-^ cos01sina1 —i3sin01 cos % sin 0-! cos01 sin01sina1 Z3cos01
sin а 0
1
0
1
cosa1 0
0 1
0
=
1 0 0 0
0 1 0 0
0 0 1 Z
0 0 0 1
где ¿2, ^з -длины звеньев;
- угол поворота отсительно
02 - угол поворота отсительно
03 - угол поворота отсительно 70; - угол смещения.
Заключение
По результатам проведенного анализа определены основные проблемы существующих технологий НК, для решения которых предложена автоматизированная технология НК параметров покрытий сложно-профильных изделий. В результате анализа сформулированы основные требования к автоматизированной установке. Проведен анализ, по результатам которого определено, что данные технические системы способны выполнять необходимые функции и удовлетворяют заданным требованиям, но из-за специфики формы сложно-профильного изделия делается невозможным их применение. Разработана кинематическая схема устройства позиционирования средств измерения. Определена зависимость длин звеньев устройства позиционирования от размеров сложно-профильного изделия. В заключительной части определены однородные матрицы преобразования координат средств измерения в базовую систему координат.
Литература
1. Расчет и конструирование агрегатов ЖРД: учеб. пособие / А.А. Гуртовой, А.В. Иванов, Г.И. Скоморохов, Д.П. Шматов. - Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2016
2. Арбузов И.А., Прохорович В.Е., Левочкин П.С., Кинжагулов И.Ю., Борисов А.А., Шипша В.Г. Современное Состояние и перспективы развития технологий неразрушающего контроля качества элементов ЖРД на предприятиях ракетного двигателестроения // - 2021 г. - С. 10-13.
3. Калошин В.А. Исследование и разработка метода неразрушающего контроля качества никелевых и никель-хромовых покрытий узлов жидкостных ракетных двигателей: дис. ... канд. тех. наук: 05.11.13 -Москва, 2013. - 4 с.
4. ГОСТ Р ИСО 15549-2009. Контроль вихретоковый. Основные положения. -М., 2011. - 3 с.
5. Козырев Ю. Г. Промышленные роботы: Справочник. - 2-е изд. - М.: Машиностроение, 1988 - 23-24 с.
6. Лукинов А.П. Проектирование мехатронных и ро-бототехнических устройств / Учебное пособие. -СПб.: Издательство «Лань», 2012. - 147-150 с.
7. Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника / Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. — 57с
