Определение степени покрытия автоматизированным методом Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 621.98.042

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ПОКРЫТИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫМ МЕТОДОМ © А.Ю. Дияк1

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Современные методы определения степени покрытия при дробеобработке имеют ряд серьезных ограничений. Наибольшее распространение получил метод флуоресцентных красок, рекомендованный стандартом SAE 2277. Разработан способ определения степени покрытия при обработке дробью на основе усовершенствования метода, описанного в международных стандартах SAE 2277. Создан аппаратно-программный комплекс, позволяющий выполнять оперативное измерение степени покрытия непосредственно на производственном участке. Ключевые слова: упрочнение; обработка дробью; степень покрытия; отпечатки; исследование поверхности.

SHOT COVERAGE DEGREE ESTIMATION BY A COMPUTER-AIDED METHOD A.Yu. Diak

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Modern methods of shot peening coverage degree estimation have a number of serious limitations. The method of fluorescent dyes recommended by SAE 2277 standard is the most widely used one. A method based on the improvement of the method described in SAE 2277 international standards is elaborated to determine the shot peening coverage degree. A hardware and software package that enables the rapid measurement of the coverage degree directly in the production area is developed.

Key words: hardening; shot peening; degree of (shot) coverage; indents; surface analysis.

Введение

Улучшение ресурса изделий авиационной техники выполняют с помощью поверхностного упрочнения. Основным и наиболее распространенным методом поверхностного упрочнения является дробе-ударная обработка. Сертификация упрочняющих технологических процессов в соответствии с мировыми стандартами самолетостроения предполагает непрерывный контроль параметров: интенсивности и степени покрытия [1].

Международные стандарты ^АЕ), действующие в области упрочнения дробью, предписывают контролировать сплошность обработки - однородное или полное покрытие обрабатываемой поверхности отпечатками дроби. Важным параметром, характеризующим сплошность покрытия и качество упрочнения деталей ударными методами, является степень покрытия. Современные математические методы для определения степени покрытия [2] предполагают применение значительных вычислительных ресурсов: их про-

граммная реализация по сложности сопоставима с созданием искусственного интеллекта. Работоспособные и пригодные к промышленному применению системы определения степени покрытия, основанные на использовании профилограмм, в литературе не встречаются.

Следует отметить, что контроль степени покрытия состоит из решения нескольких отдельных задач. В зависимости от требований и целей дробеударной обработки их решение должно быть либо полным, либо частичным, но достаточным для производства [3].

Наиболее полное представление о поверхности после дробеобработки и степени ее покрытия заключается в информации о точном количестве, диаметре, глубине, величине перекрытия отпечатков. Обеспечить получение всех этих данных о поверхности можно с помощью трехмерных оптических систем сканирования, например оптическим профилометром Бгикег. Исследование процесса дробеобработки и его закономерностей с использованием такой

1Дияк Алексей Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры оборудования и автоматизации машиностроения, тел.: 89246048656, e-mail: winday@irkut.ru

Diak Aleksei, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Equipment and Automation of Mechanical Engineering, tel.: 89246048656, e-mail: winday@irkut.ru

информации будет наиболее достоверным.

Оптические методы трехмерного сканирования позволяют создать виртуальную модель обработанной поверхности, изучить характеристики отпечатков, определить их размеры с нанометрической точностью, однако применение данных методов требует длительного времени сканирования, стабильности температуры окружающей среды и других условий, которые можно создать лишь в лабораторных условиях. Для применения в условиях производства такая чувствительность и точность приборов является чрезмерной, при этом требования к помещениям делают однозначно невыполнимым оперативное и гибкое производственное применение.

Определение степени покрытия поверхности

Для успешного применения дробе-метной, дробеструйной обработки деталей с целью формообразования или упрочнения достаточно знать лишь степень покрытия поверхности отпечатками. Информация о фракциях отпечатков и т.д. на производственном уровне является избыточной. В некоторых случаях, например при упрочнении, требуется определить, достигнута ли степень покрытия 100, 200 или 300%.

Стандартом SAE 2277 для контроля степени покрытия регламентирован метод флуоресцентных красок, который применяют на многих зарубежных производствах [4, 5]. Сущность этого метода показана на рис. 1. Деталь до упрочнения покрывают флуоресцентной краской DYESCAN #220 или наносят краску маркером PEENSCAN PEN для создания пленки на поверхности металла. Целостность пленки проверяют перед дробеобработкой. Для этого в темном помещении деталь освещают источником ультрафиолетового (УФ) излучения мощностью 100 Вт и длиной волны 365 нм. После обработки дробью деталь повторно инспектируют с помощью ультрафиолетовой лампы и сопоставляют с контрольным образцом.

Визуальная оценка результатов обработки заключается в контроле внешнего вида и целостности флуоресцентного лако-

красочного покрытия. Деталь после воздействия дроби со следами краски имеет неполную степень покрытия; если краска удалена с поверхности полностью и светящихся участков поверхности нет, то полная степень покрытия достигнута. Описанный метод прост в применении и очень нагляден, однако не лишен недостатков. Результат контроля позволяет лишь оценить, достигнуто ли полное покрытие поверхности отпечатками, при этом невозможно количественно определить степень покрытия поверхности после упрочнения дробью. Полная степень покрытия требуется при упрочнении дробью, при других видах дробеоб-работки, таких как формообразование, полная степень покрытия поверхности отпечатками не требуется. При формообразовании дробью необходимо не превышать степень покрытия 25-30%.

Расширить возможности метода флуоресцентных красок (SAE 2277) и адаптировать его для контроля дробеформооб-разования можно путем автоматизированной обработки изображения поверхности детали после воздействия дробинок. Использование эффекта свечения краски на неупрочненных поверхностях даст возможность определить относительную площадь поверхности под краской и относительную площадь упрочненной поверхности и таким образом определить степень покрытия.

Если проанализировать изображение на рис. 1, то можно констатировать, что монохромное высококонтрастное изображение более светлого оттенка (рис. 1, а) преобразуется в монохромное высококонтрастное изображение темного оттенка (рис. 1, в). Промежуточной стадией является дуохромное изображение из вышеперечисленных оттенков. Традиционной характеристикой любого изображения является его гистограмма, которая позволяет определить соотношение цветов в каналах RGB и других цветовых пространствах; для черно-белых изображений гистограмма показывает относительное количество светлых и темных тонов серого. RGB (аббревиатура из английских слов Red, Green, Blue - красный, зеленый, синий) - аддитивная цвето-

вая модель, описывающая способ синтеза цвета для цветовоспроизведения [6].

Изучение гистограммы изображения в отдельных каналах RGB показывает, что имеется четкое разделение и распределение светлых и темных тонов по каждому из каналов. Применение фильтрации изображения по цветам, чтобы удалить лишнюю информацию, и преобразование фотографии поверхности в черно-белый вид поз-

волит получить высококонтрастную картину поверхности и гистограмму характерного вида, на которой отсутствуют полутона. Таким образом, соотношение темных и светлых участков и интерпретация гистограммы позволяют определить соотношение деформированных и недеформированных участков поверхности детали, что и является степенью покрытия поверхности отпечатками дробинок.

. JLUIOLL__.JJiLjuliiUi^.........

Источник: Выделенный -слой

Среднее: 133,71 Уровень:

Отклонение: 86,79 Счетчик:

Медиана: 144 Процентиль:

Пикселы: В340 Уровней кэш: Красный

LllL J J А

.L.....Ж_______.J______UJL..I11

Источник! Выделенный слой

Среднее: 132,41 Отклонение: В4Г48

Медиана: 132 Elp

Источник: Выделенный слой

Процентиль: Уровней кэш:

Среднее: 107,07

Отклонение: 86,17

Медиана: 87

Пикселы: В133 Красный

Процентиль: Уровней кэш:

___________,11......iil..i

где

Рис. 1. Метод контроля степени покрытия по SAE 2277 [3]: а - деталь, не обработанная дробью, с предварительно нанесенной флуоресцентной краской; б - деталь, обработанная дробью, со следами частичного удаления флуоресцентной краски и неполной степенью покрытия; в - деталь, обработанная дробью, с поверхности которой полностью удалена краска, что свидетельствует о полной степени покрытия; г, д, е - анализ изображений с помощью гистограмм

б

а

в

Для проведения исследования на изучаемую поверхность обрабатываемой детали наносят флуоресцентную краску; согласно рекомендациями SAE 2277 площадка, покрываемая краской, должна быть размерами не менее 20х20 мм.

Краска с флуоресцентными свойствами ярко светится под источником ультрафиолетового излучения. После воздействия дробинок краска осыпается с деформированного металла. При облучении светом УФ диапазона металлическая поверхность выглядит темной или почти черной, а участки с сохранившейся краской светятся. При дневном свете флуоресцентная краска бесцветна (рис. 2, а).

Для повышения оперативности взамен темного помещения для инспекции поверхности с нанесенной флуоресцентной краской предпочтительнее использовать прибор, который будет создавать локаль-

ное затемнение на исследуемом участке.

Для реализации предлагаемого способа был создан электронно-оптический модуль (рис. 3), в корпусе которого расположены светодиоды, работающие в ультрафиолетовом диапазоне 365 нм, фотокамеры с углом зрения 120°, а также автономный источник питания. Фотокамера выполняет съемку и через USB-интерфейс передает результаты на ПК.

Для обработки изображений был разработан программный модуль (рис. 4), который устанавливают на ПК под управлением ОС Windows. Его задачами являются: предварительная обработка фотоснимка путем его перевода в черно-белое изображение и цветовое пространство LAB, повышение контраста, определение соотношения белых и черных участков на исследуемой поверхности (рис. 5).

а б в

Рис. 2. Поверхность образца: а - при дневном свете; б - в УФ свете; в - при наложении изображений а и б

а б

Рис. 3. Электронно-оптический модуль: а - модуль в сборе; б - 30-модель корпуса

В цветовом пространстве LAB значение светлоты (Lightness) отделено от значений тона и насыщенности, т.е. от хроматической составляющей цвета. Координата L (Lightness) определяет яркость, диапазон ее изменения от 0 (самого темного) до 100 (самого светлого), хроматическая составляющая - двумя декартовыми координатами a и b; а обозначает положение цвета в диапазоне от зеленого до красного, b - от синего до желтого [6].

Степень покрытия

Рис. 4. Основное окно программы автоматизированного расчета степени покрытия

Среднее: 222ГВ1

Отклонение: 79,14

Медиана: 255

Пикселы: 24В8000 Красный

д

Рис. 5. Поверхность образца после предварительной обработки фотоизображения: а - обработано дробью 03 мм; б - обработано дробью 00,8 мм; в-е - гистограммы изображений а и б

в цветовых пространствах RGB и LAB

в

г

е

Рис. 6. Определение степени покрытия с помощью векторного графического редактора

В цветовом пространстве LAB черные пиксели, соответствующие отпечаткам дробинок, лежат в цветовом диапазоне от (L:0; a:0; b:0) до (L:20; a:0; b:0). Белые пиксели, соответствующие неупрочненным участкам, лежат в диапазоне от (L:80; a:0; b:0) до (L: 100; a:0; b:0).

В качестве образцов взяли пластины из алюминиевого сплава В95 и обработали их стальной дробью. Перед обработкой на поверхность нанесли флуоресцентную краску. Образцы после обработки дробью фотографировали электронно-оптическим модулем в УФ свете и при дневном освещении, все фотоснимки переводили в черно-белый вид с усилением контраста и переводом в цветовое пространство LAB, в результате получили несколько изображений одной поверхности.

Фотоизображения поверхности образцов исследовали двумя способами:

1. Фотографию поверхности, полученную при дневном свете, обрабатывали вручную в векторном графическом редакторе путем выделения каждого отпечатка с помощью окружностей (рис. 6). Подсчет количества и размеров отпечатков позволил определить площадь всех отпечатков и степень покрытия поверхности.

2. Фотографию поверхности, полученную в УФ свете, обрабатывали в программе, которая выполняла разложение исследуемого изображения на пиксели белого и черного цветов, подсчитывала общее количество пикселей и количество пикселей белого и черного цветов (см. рис. 4, 5).

Выводы

Сопоставление результатов вычисления степени покрытия двумя вышеуказанными способами показало, что если принять ручной метод определения за эталонный, то погрешность автоматизированного программного метода составляет всего 5-7%.

Разработанный программно-аппаратный комплекс позволяет рассчитывать степень покрытия поверхности при упрочнении и формообразовании дробью с использованием простых и доступных аппаратных решений. Дальнейшее усовершенствование предлагаемого метода может быть направлено по пути интеграции созданного комплекса с системой ЧПУ дробеметного или дробеструйного оборудования, что позволит управлять процессом упрочнения практически в режиме реального времени.

Исследование, выполненное в рамках данной статьи, проводилось при финансовой поддержке правительства Российской Федерации (Минобрнауки России) по комплексному проекту 2012-218-03-120 «Автоматизация и повышение эффективности процессов изготовления и подготовки производства изделий авиатехники нового поколения на базе Научно-производственной корпорации «Иркут» с научным сопровождением Иркутского государственного технического университета», согласно постановлению Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218.

Статья поступила 22.11.2015 г.

1. К вопросу сертификации технологии поверхностного упрочнения на соответствие требованиям международных стандартов / Пашков А.Е. [и др.] // Наука и технологии в промышленности. 2013. № 1-2. С. 104-107.

2. Дияк А.Ю. Перспективные методы определения степени покрытия при обработке дробью // Вестник ИрГТУ. 2014. № 7 (90). С. 12-17.

3. К вопросу обеспечения точности определения интенсивности поверхностного упрочнения / Пашков А.Е. [и др.] // Современные технологии, системный анализ, моделирование. 2010. № 1.

кии список

С. 102-107.

4. Ortolano R., Kleppe R., Chetwynd R. Shot Peening in Steam Turbines // The Shot Peener magazine. 2005. Issue 4. Volume 19.

5. Jerald V. Skoff Understanding Residual Stress Effects and Corrective Shot Peening Action for Die Casting Tools. Part 2 // DIE CASTING ENGINEER. January 2008. P. 2-6.

6. Koschan A., Abidi M. Digital Color Image Processing. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2008. 376 p.

УДК 519.6

ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ И ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ. ЧАСТЬ 1. РЕШЕНИЕ НА ОСНОВЕ АППРОКСИМАЦИЙ ПЕРВОГО ПОРЯДКА

А

© Т.Л. Дмитриева1

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Разработан алгоритм оптимизации упругих конструкций, подверженных действию динамических нагрузок, который основан на совместном использовании метода конечных элементов и методов нелинейного математического программирования. Рассмотрены приемы получения явных задач оптимизации на основе аппроксимаций параметров состояния системы. Показано, что приближения тем ближе к исходной задаче, чем ближе аппроксимируемые функции к используемой модели аппроксимации. В большинстве случаев этой цели можно добиться соответствующим выбором варьируемых параметров. Рассматриваются дискретные моменты времени, когда параметры состояния принимают критические значения.

Ключевые слова: динамика; анализ чувствительности; оптимальное проектирование; стержневые системы.

NUMERICAL ANALYSIS AND OPTIMAL DESIGN OF MECHANICAL SYSTEMS UNDER NONSTATIONARY DYNAMIC LOADS. PART 1. FIRST ORDER APPROXIMATION-BASED SOLUTION

T.L. Dmitrieva

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

An algorithm for the optimization of elastic structures exposed to dynamic loads has been developed. It is based on the combined use of the finite element method and the methods of nonlinear mathematical programming. The methods to obtain explicit optimization problems based on the approximations of system state parameters are considered. It is shown that the closer approximated functions to the used approximation model the closer approximations to the original problem. In most cases this purpose can be achieved through the appropriate choice of variable parameters. Consideration is given to the discrete moments of time when the parameters of state take on critical values. Keywords: dynamics; sensitivity analysis; optimal design; frame structures.

Введение

В механике деформируемых систем, подверженных нестационарным кратковременным динамическим воздействиям, часто возникает проблема оптимизации различных параметров согласно выбранному критерию, при условии варьирования некоторыми параметрами этих систем. При

этом динамическая система должна отвечать определенным требованиям к ее состоянию. Рассмотрим алгоритм решения данной задачи на основе нелинейного математического программирования [2, 3]: найти

min f[x, P(x,t)), xsE" (1)

1

Дмитриева Татьяна Львовна, доктор технических наук, профессор кафедры сопротивления материалов и строительной механики, тел.: (3952) 405044, 89149136725, e-mail: dmital@istu.edu

Dmitrieva Tatyana, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Strength of Materials and Structural Mechanics, tel.: (3952) 405044, 89149136725, e-mail: dmital@istu.edu