CC BY
28
R
1
0 5 10 15 Ах, мкм
—•— 0 = 45°, —о — 0 = 0°
Рис. 3. Зависимость корреляционной функции измерения расстояния до объекта от поперечного смещения объекта Лх при различных углах падения 9 зондирующего излучения
Заключение
Получены результаты, имеющие практическое значение при использовании щупа триггерного типа для бесконтактных измерений. Определены дискретность измерений и граница допустимой скорости движения контролируемой поверхности при динамических измерениях.
Литература
1. Гуров И.П., Ли Ган. Интерферометрические методы и устройства контроля смещений негладких поверхностей. I. Методы и устройства с регистрацией неподвижных интерференционных картин // Оптика и спектроскопия. - 1998. - Т. 84. - № 1. - С. 129-138.
2. Большаков О.П., Котов И.Р., Майоров Е.Е., Хопов В.В. Исследование оптического щупа с частично когерентным источником излучения // Научное приборостроение. - 2003. - Т. 13. - № 2. - С. 47-51.
3. Майоров Е.Е. Теоретический анализ точности измерения формы диффузно отражающего объекта с помощью интерферометра с источником ограниченной когерентности // Современные технологии: Труды молодых ученых СПбГУ ИТМО. - 2001. - С. 61-63.
4. Hausler G., Lindner M.W. Coherence radar and spectral radar - new tools for dermatological diagnosis // F.Biomed. Opt. - 1998. - V. 3. - № 1. - P. 21-31.
Майоров Евгений Евгеньевич - Северо-Западный государственный медицинский университет имени
И.И. Мечникова, кандидат технических наук, доцент, majorov_ee@mail.ru Прокопенко Виктор Трофимович - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой, prokopenko@mail.ifmo.ru Ушверидзе Лариса Александровна - Северо-Западный государственный медицинский университет имени
И.И. Мечникова, кандидат технических наук, доцент, larisha6@yandex.ru
УДК 621.746
ОПТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ПРОИЗВОДСТВА ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ В.И. Маслов, А.И. Арустамян, В.Ф. Минаков
Выполнены экспериментальные исследования спектральных характеристик отражения объекта позиционирования (ковша с расплавленным металлом) спектрофотометром фирмы X-Rite (Швейцария), доказана возможность представления спектральной характеристики линейно-гармоническими функциями при обеспечении метрологического класса точности.
Ключевые слова: качество, поршневые кольца, спектральная характеристика.
Введение. Постановка задачи
Жесткая конкуренция на мировых и внутренних рынках продукции машиностроения требует повышения качества выпускаемых отечественным производством изделий. Мировые лидеры машиностроения после глобального кризиса 2008 г. ориентируются на перманентное внедрение инновационных решений, в том числе - технологических. Именно такой подход позволяет им обеспечивать высокое качество продукции, а соответственно - ее конкурентоспособность. Для достижения стабильности показателей качества продукции на предприятиях машиностроения внедряется система всеобщего управления
качеством (TQM, Total Quality Management). В этой связи актуальным становится обоснование и принятие оптимальных решений по совершенствованию управления качеством продукции с целью снижения себестоимости ее производства на каждом конкретном предприятии и производстве.
Объектом исследования является машиностроительная продукция - поршневые кольца, широко применяемые в двигателях внутреннего сгорания автомобилей, тракторов и т.д. Развитие производств машиностроительной продукции приобретает особую актуальность в связи с вступлением России в ВТО. Для машиностроительной промышленности самым массовым способом получения заготовки деталей является литье из чугуна, стали, цветных металлов. Важнейшей технологической операцией в процессе изготовления отливок является заливка расплавленного металла в заливочные формы. От эффективности управления процессом заливки в части обеспечения стабильности требуемых параметров (температуры, скорости заливки, высоты струи металла), в конечном счете, зависит качество продукции и ее себестоимость.
В существующей технологии литья заготовок поршневых колец соблюдение требуемых параметров заливки (высота струи расплавленного металла, весовая скорость заливки) производится заливщиком металла путем органолептического контроля (визуально), что вносит человеческий фактор в технологический процесс. В зависимости от физического и эмоционального состояния заливщика находится и стабильность параметров заливки. В частности, при изготовлении поршневых колец требуемая высота струи заливаемого металла от кромки верхней опоки до носка ковша с расплавленным металлом составляет 225 мм (с допуском отклонений в 25 мм). При отклонении высоты позиционирования ковша в сторону повышения происходит разрушение струей металла песчаной формы, засасывание воздуха окружающей атмосферы, вытекание заливаемого металла из заформованной стопки, что, в конечном итоге ведет к получению некачественной или даже дефектной продукции.
Если же высота струи меньше требуемой величины, то давление заливаемого металла в формы недостаточно, результатом чего являются дефекты, неспаи, газовые раковины, неметаллические включения в виде частиц песчаной формы. Такая нестабильность технологического процесса также негативно сказывается на качестве продукции и ее себестоимости.
На рис. 1 представлен процесс позиционирования ковша при литье металла и органолептическом его контроле на основе восприятия органами зрения заливщика с превышением допустимой высоты. Виден характерный дефект - разрушение заливочной формы и вытекание металла.
Рис. 1. Завышенное позиционирование ковша с металлом относительно заливочной формы
и ее разрушение
Задачи управления параметрами производственных процессов методами дистанционного нераз-рушающего контроля состава, наличия, позиционирования деталей, узлов, машин, материалов и других объектов являются весьма распространенными. Такой контроль является неотъемлемой частью конвейерных производств, а также систем управления движущимися и удаленными объектами, механическое воздействие контактными датчиками на которые исключено по технологическим условиям (температурным для расплавленных металлов, прочностным для высокотехнологичных производств микроэлектроники, габаритным для нанотехнологий и т.п.).
Для решения поставленной задачи выполнен анализ известных способов дистанционного контроля спектральных характеристик объектов в технологических процессах [1, 2]. Он позволил установить, что существующие технологические решения основаны на регистрации спектральных характеристик, т.е. измерении зависимостей интенсивности отраженных сигналов (или излучений) от длины волны в диапазоне от 200-400 до 800-1000 нм. Такой способ позволяет решать поставленную задачу, однако стоимость спектрографов, спектрометров, спектрофотометров, позволяющих измерять интенсивность спектров
столь высока, что затраты на их приобретение и установку в технологических процессах делает производство экономически неэффективным, а продукцию - неконкурентоспособной и неликвидной.
Задача настоящей работы - совершенствование системы управления качеством производства поршневых колец (для снижения его себестоимости) методом оптического контроля позиционирования ковша с расплавом при заливке форм.
Метод решения задачи
Предлагается более экономичный способ представления спектральных характеристик объектов и характеристик чувствительности датчиков. Для обоснования способа было выполнено измерение интенсивности отраженного оптического сигнала для образца (объекта, выполненного из чугуна) - рис. 2. Экспериментальные измерения проведены спектрофотометром производства швейцарской фирмы X-Rite, модель Colormunki, с использованием программной оболочки DispCal GUI под управлением ОС Windows.
Интенсивность, o.e. Спектр образца
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
400 450 500 550 600 650 700 750
Длина волны, нм Экспериментальные данные - Теоретическая кривая
Рис. 2. Разложение спектральной характеристики образца в линейно-гармонический ряд
Спектральную характеристику /,(-) предлагается представлять результатами разложения в ряд Фурье. Однако, учитывая несовпадение значений интенсивности отражения в начале и в конце диапазона длин волн (Xmin, Xmax), дополнительно предлагается введение линейной функции длины волны с коэффициентом
b = [ f¡(^max) - f¡(^mm)]/( ^max"^mln).
После вычитания такой линейной функции из экспериментальных данных спектра объекта /,(-) получаем отвечающую условиям Дирихле функцию /э,и(Х) = /(-) - Ы,
которую можно представить гармоническим рядом Фурье в функции от аргумента х на периоде 2л, соответствующем интервалу Xmax-Xmm,:
х = ю - = 2-п- —-—-min , /х) = a0 + ^ak,-cosкх + ak„-sinкх,
—m^ -min к—1
1 П 1 П 1 п
где a0 —— Г /(х)-ёх ; ak, — — [ /^-cos^)^ к = 1, 2,..; ak„ —— [ /(х)^т(кх)-й?х, к = 1, 2,.... 2п J п J п J
- п
Аналогичное разложение спектральных характеристик чувствительности датчиков (например, фотодиодов), позволяет производить их выбор по критерию допустимости погрешности:
— ак д <е, ак-— акА <е, где е - допустимая для конкретной задачи идентификации погрешность.
Практическая реализация
Для доказательства применимости предложенного способа исследована зависимость погрешности аппроксимации спектра линейно-гармоническими рядами в функции от количества используемых членов ряда Фурье (таблица). Постоянная составляющая ряда Фурье составляет 0,61468 относительных единиц (о.е.) при нормировании интенсивности отраженного спектра к единичному значению при его максимуме. Тангенс угла наклона линейной компоненты равен ¿=0,0014346.
Результаты таблицы позволяют сделать важные выводы. Представление спектральных характеристик объектов совокупностью сотен пар табличных данных может быть заменено одной парой параметров линейной аппроксимирующей функции и одной парой амплитуд гармонических составляющих с погрешностью не более 4%. Такой способ может применяться для метрологических задач, так как обеспечивает погрешность, достаточную для измерительных приборов. Кроме того, увеличение числа учитываемых гармоник до 6 обеспечивает класс точности измерения спектральных характеристик не более 1 (с приведенной погрешностью до 1%), до 11 гармоник - с погрешностью 0,5%.
На рис. 3 представлены оптическая схема и технологическое решение системы автоматизированного контроля высоты расположения заливочного ковша [3]. Контроль основан на регистрации излучения поверхности расплавленного металла по спектральной характеристике и управлении полученной информацией световым табло - линейкой светодиодов [4]. Датчики наиболее близкого спектра к спектру излучения расплавленного металла размещаются на уровне требуемого положения ковша при заливке из него расплава в стопки заливочных форм - на высоте 200 мм от кромки воронки верхней стопки, что обеспечивает контроль высоты струи в диапазоне 200-250 мм. В горизонтальной плоскости оптимальное расстояние крепления устройства дистанционного контроля от ковша составляет 300-400 мм. При меньшем расстоянии возникает опасность попадания брызг расплавленного металла с температурой 1430°С на датчики. При большем расстоянии снижается чувствительность системы контроля. Светодиоды индикации расположены на той же панели. Дискретность расположения датчиков и индикаторов по высоте составляет 20 мм, что вполне достаточно для позиционирования ковша на высоте 200-250 мм от стопки заливочных форм.
Рассчитана экономическая эффективность инновационной системы контроля розлива металла. По сравнению с органолептическим контролем положения ковша и управления его позиционированием автоматизированный контроль обеспечивает снижение потерь от нарушения целостности форм и снижение числа бракованных заготовок. Для программ производства колец, выпускаемых ОАО «Ставропольский завод поршневых колец - СТАПРИ», экономический эффект составляет 100000 руб. в год для наименее металлоемких изделий и 1000000 руб. в год для наиболее металлоемких.
Число гармоник ряда Фурье Амплитуды гармоник Средняя погрешность, %
косинусоидальной синусоидальной
1 -0,036694854 -0,007544815 3,96
2 -0,006895065 -0,041405260 2,52
3 0,025988274 -0,000127576 1,87
4 -0,001988306 0,019622916 1,34
5 -0,012935454 -0,001251574 1,15
6 0,000315431 -0,010941673 0,91
7 0,008287900 0,001011139 0,80
8 -0,000775432 0,006722954 0,76
9 -0,006636308 -0,001216115 0,70
10 0,000889407 -0,006536407 0,60
11 0,005433259 0,000836082 0,50
12 -0,000551821 0,003558956 0,47
13 -0,003157161 -0,000936825 0,45
14 0,001267087 -0,003209484 0,44
15 0,003650987 0,001018170 0,40
16 -0,001075222 0,002485946 0,38
17 -0,002099956 -0,001005920 0,42
18 0,000865523 -0,003021130 0,43
19 0,003362577 0,000630892 0,39
20 -0,001186640 0,002683981 0,37
21 -0,002037598 -0,001332573 0,37
22 0,001264398 -0,002396875 0,38
23 0,002941593 0,001179685 0,45
24 -0,001501723 0,002730271 0,38
25 -0,002271678 -0,001139593 0,36
Таблица. Погрешности разложения спектральной характеристики
Оптически и сигнал спектра, отличного от иде нтифициру е мого: /0{
Оптический сигнал спектра, отличного от иде нтифициру емого: /3(А)*/|Л)
Корпус системы контроля
а б
Рис. 3. Схема (а) и технологическое решение (б) оптического контроля положения заливочного ковша
Заключение
В системе контроля и управления качеством производства поршневых колец разработана и практически реализована инновационная технология дистанционного контроля положения заливочного ковша, основанная на формализации представления спектра его отражения линейной функцией и рядом Фурье. Это позволило на практике сократить число параметров, характеризующих объект контроля и датчики, обеспечить метрологический класс точности представления спектральных характеристик и стабильность параметров заливки металла, а соответственно - характеристик изготавливаемой продукции, т.е. повышение качества продукции. Снижение брака обеспечивает экономический эффект от 100000 до 1000000 руб. в год для изготавливаемых заводом «СТАПРИ» поршневых колец.
Литература
1. Минаков В.Ф., Арустамян А.И. Устройство для контроля положения ковша с расплавленным металлом. Патент РФ на полезную модель № 69233. Зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей РФ 10.12.2007. Приоритет от 25.04.2006.
2. Назаров В.Н., Соколов Ю.А. Исследование схемы дифракционного контроля положений объектов с изменяющимся масштабом спектра Фурье // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2011. -№ 1 (71). - С. 6-9.
3. Пилипенко Н.В. Сенсоры нестационарной теплометрии и их математические модели // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2011. - № 3 (73). - С. 53-56.
4. Минаков В.Ф., Арустамян А.И. Технология контроля положения ковша при розливе металла // Вопросы материаловедения. - 2010. - № 4 (64). - С. 72-78.
Маслов Владимир Иванович Арустамян Арам Иванович Минаков Владимир Федорович
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой, vimaslov@tu.neva.ru Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, аспирант, arustam@inbox.ru
Санкт-Петербургский государственный университет экономики и финансов, доктор технических наук, профессор, m-m-m-m-m@mail.ru
