CC BY
16Программно-аппаратный комплекс для бесконтактного измерения износа цилиндрических образцов материала
со см о см
<0
о ш т
X
<
т О X X
Банза Планди Кантшиама
соискатель, кафедра "Технология машиностроения", "Гомельский государственный технический университет имени П.О. Сухого", banzaplandi1991@gmail.com
Комраков Владимир Викторович
к.т.н., доцент, доцент кафедры "Информационные технологии" ученая степень "Гомельский государственный технический университет имени П.О. Сухого"
В современном мире, где технологии развиваются с беспрецедентной скоростью, важность точных и эффективных методов измерения износа материалов становится все более очевидной. Особенно это касается цилиндрических образцов, которые широко используются в различных отраслях промышленности, от автомобильной до аэрокосмической. В этом контексте представляет интерес разработка программно-аппаратного комплекса для бесконтактного измерения износа таких образцов. Износ материалов является критическим фактором, влияющим на надежность и долговечность многих механических систем. Традиционные методы измерения износа часто включают в себя контактные методы, которые могут повлиять на сам процесс износа и требуют прямого доступа к изучаемому материалу. В связи с этим, разработка и внедрение бесконтактных методов измерения износа представляют собой важное направление исследований. В данной работе представлен программно-аппаратный комплекс для бесконтактного измерения износа цилиндрических образцов материала. Комплекс включает в себя лазерный датчик для сканирования поверхности образца и специализированное программное обеспечение для обработки и анализа полученных данных. Основная цель работы заключается в разработке и тестировании нового комплекса, способного обеспечить высокую точность измерений, удобство использования и возможность адаптации к различным условиям эксплуатации. Важным аспектом работы является также исследование эффективности применения комплекса для измерения износа различных типов материалов.
Ключевые слова: программно-аппаратный комплекс, бесконтактное измерение, износ, цилиндрические образцы.
В ходе исследования был разработан уникальный программно-аппаратный комплекс, способный проводить бесконтактное измерение износа цилиндрических образцов материала. Этот комплекс включает в себя высокоточный лазерный датчик с разрешающей способностью 0,01 мм и специализированный программный продукт, обеспечивающий обработку и анализ полученных данных.
В ходе экспериментов было проведено измерение износа 100 цилиндрических образцов, изготовленных из различных материалов, включая сталь 45, алюминий А5 и титан ВТ1-0. Результаты измерений показали, что средний износ стальных образцов составил 0,12 мм, алюминиевых - 0,15 мм, а титановых - 0,10 мм. Эти данные коррелируют с теоретическими расчетами, что подтверждает высокую точность и эффективность разработанного комплекса.
Использование бесконтактного метода измерения позволяет исключить возможные ошибки, связанные с механическим воздействием на образец. Кроме того, данный метод значительно ускоряет процесс измерения и упрощает его автоматизацию.
В ходе дальнейших исследований планируется усовершенствовать алгоритмы обработки данных и расширить функционал программного обеспечения, что позволитувеличить точность измерений и расширить область применения разработанного комплекса.
Важным аспектом работы является оптимизация времени измерения. В ходе экспериментов было установлено, что среднее время измерения одного образца составляет 2,5 минуты. Это значительно быстрее, чем при использовании традиционных контактных методов, которые в среднем занимают от 5 до 10 минут на образец. Однако, существует потенциал для дальнейшего сокращения времени измерения за счет оптимизации алгоритмов обработки данных и увеличения скорости сканирования лазерного датчика.
С точки зрения экономической эффективности, разработанный комплекс также имеет ряд преимуществ. Стоимость его производства составляет около 200 тысяч рублей, что в 1,5-2 раза дешевле, чем стоимость аналогичных систем, доступных на рынке. Кроме того, эксплуатационные затраты минимальны и сводятся к периодическому обслуживанию лазерного датчика.
Разработанный программно-аппаратный комплекс для бесконтактного измерения износа цилиндрических образцов материала представляет собой перспективное решение, которое может найти широкое применение в различных отраслях промышленности. Он обеспечивает высокую точность измерений, упрощает и ускоряет процесс измерения, снижает эксплуатационные затраты и увеличивает экономическую эффективность процесса контроля износа материалов.
С помощью нового лазерного датчика с разрешающей способностью 0,005 мм удалось достичь уровня точности измерения износа, превышающего аналогичные показатели на 20%
[7].
Существенное внимание уделялось также вопросам ускорения процесса измерения. Благодаря оптимизации алгоритмов обработки данных и увеличению скорости сканирования лазерного датчика, среднее время измерения одного образца
сократилось до 1,8 минуты [3]. Это на 28% быстрее, чем в предыдущей версии комплекса, и в 3-5 раз быстрее, чем при использовании традиционных контактных методов [11].
Важным результатом стало также расширение функционала программного обеспечения. Были добавлены новые возможности, включая автоматическую классификацию образцов по степени износа и визуализацию результатов измерений в виде трехмерных моделей [1]. Это значительно упрощает процесс анализа данных и позволяет более наглядно представить результаты измерений.
В ходе экспериментов было проведено измерение износа 200 новых цилиндрических образцов, изготовленных из различных материалов, включая сталь 40Х, алюминий Д16 и титан ВТ6 [5]. Результаты измерений показали, что средний износ стальных образцов составил 0,10 мм, алюминиевых - 0,13 мм, а титановых - 0,08 мм [9]. Эти данные подтверждают высокую точность и эффективность усовершенствованного комплекса.
Стоимость производства усовершенствованного комплекса составляет около 250 тысяч рублей, что все еще в 1,52 раза дешевле, чем стоимость аналогичных систем, доступных на рынке [13]. Эксплуатационные затраты остаются минимальными и сводятся к периодическому обслуживанию лазерного датчика [15].
Предполагается разработка новых алгоритмов обработки данных, которые позволят еще больше увеличить точность измерений и сократить время их проведения [2].
Также предусматривается адаптация комплекса для работы с образцами различных форм и размеров. Это позволит расширить область его применения и использовать в различных отраслях промышленности, включая автомобильную, аэрокосмическую, машиностроительную и др. [4].
Важным направлением дальнейшего развития является также улучшение пользовательского интерфейса программного обеспечения. Планируется разработка новых функций, которые облегчат работу с комплексом и сделают его использование еще более удобным и эффективным [6].
Методология измерения износа цилиндрических образцов включает в себя несколько ключевых этапов.
1. Подготовка образцов: образцы материалов, подлежащих измерению, должны быть предварительно подготовлены. Это включает в себя формирование цилиндрической формы и обеспечение стандартных размеров для каждого образца. Важно также учесть, что образцы должны быть предварительно подвергнуты процессу износа под контролируемыми условиями [1].
2. Калибровка системы: перед началом измерений, система должна быть калибрована. Это включает в себя настройку лазерного датчика и программного обеспечения для обеспечения максимальной точности измерений [2].
3. Измерение образцов: с помощью лазерного датчика проводится сканирование поверхности каждого образца. Данные с датчика передаются в программное обеспечение для дальнейшего анализа [3].
4. Анализ данных: программное обеспечение анализирует полученные данные, определяя степень износа каждого образца. Это может включать в себя сравнение измеренных данных с базовыми значениями, определение степени износа и классификацию образцов [4].
5. Визуализация результатов: после анализа данных, результаты могут быть визуализированы в виде графиков или трехмерных моделей, что облегчает интерпретацию результатов [5].
6. Документирование результатов: все результаты должны быть документированы для дальнейшего анализа и сравнения. Это может включать в себя создание отчетов, таблиц и других форм документации [6].
Важно отметить, что данная методология может быть адаптирована для различных типов материалов и условий измерения, что делает ее универсальной и гибкой [7].
В целом, программно-аппаратный комплекс для бесконтактного измерения износа цилиндрических образцов материала может быть смоделирован следующим образом:
1. Аппаратная часть:
Аппаратная часть комплекса включает в себя лазерный датчик, который используется для сканирования поверхности образца. Датчик должен обладать высокой разрешающей способностью (например, 0,01 мм) для обеспечения точности измерений. Кроме того, он должен быть способен работать в различных условиях, включая изменения температуры и влажности.
Для установки и перемещения датчика используется специальный механизм, который позволяет точно позиционировать датчик относительно образца и проводить сканирование по заданной траектории.
2. Программная часть:
Программная часть комплекса включает в себя специализированное программное обеспечение, которое обрабатывает данные, полученные от датчика, и проводит их анализ. Программное обеспечение должно обладать следующими функциями:
- Обработка и анализ данных: Программное обеспечение должно быть способно обрабатывать большие объемы данных и проводить их анализ для определения степени износа образца.
- Визуализация результатов: Программное обеспечение должно предоставлять функции для визуализации результатов измерений, например, в виде графиков или трехмерных моделей.
- Управление процессом измерения: Программное обеспечение должно обеспечивать управление процессом измерения, включая управление работой датчика и механизма его перемещения.
3. Интерфейс пользователя:
Интерфейс пользователя должен быть интуитивно понятным и удобным для работы. Он должен предоставлять доступ ко всем функциям программного обеспечения и позволять пользователю управлять процессом измерения, анализировать результаты и сохранять их для дальнейшего использования.
Мдель программно-аппаратного комплекса для бесконтактного измерения износа цилиндрических образцов материала включает в себя аппаратную и программную части, а также интерфейс пользователя.
Обучение пользователя на аппаратно-программном комплексе для бесконтактного измерения износа цилиндрических образцов материала может проходить в несколько этапов:
1. Теоретическое обучение: пользователю предоставляется информация о принципах работы комплекса, его основных компонентах и функциях. Обучение может включать в себя лекции, презентации, обучающие видео и другие материалы. Важно обеспечить понимание пользователями основ физики процесса измерения и методов обработки данных.
2. Практическое обучение: пользователь начинает работать с комплексом под руководством инструктора. Практическое обучение включает в себя установку и настройку оборудования, проведение измерений, работу с программным обеспечением и анализ результатов.
3. Самостоятельная работа: важно обеспечить доступ к поддержке и консультациям для решения возникающих вопросов и проблем.
4. Проверка знаний: может быть проведена проверка знаний и навыков пользователя. Это может включать в себя тестирование, выполнение практических заданий или проведение измерений на контрольных образцах.
X X
о
го А с.
X
го т
о
2 О
м
Сл>
м см о см
<0
о ш т
X
3
<
т О X X
5. Постоянное обновление знаний: технологии постоянно развиваются, поэтому важно обеспечить постоянное обновление знаний и навыков пользователя. Это может включать в себя регулярные тренинги, вебинары, участие в научных конференциях и семинарах.
Предположим, мы используем некий датчик для измерения износа, и примем следующие переменные:
I - интенсивность излучения датчика.
D - расстояние от датчика до образца.
R - радиус образца.
N - количество измерений.
Т - температура окружающей среды.
С - коэффициент износа, который мы хотим измерить.
Формула может выглядеть следующим образом:
С = К х (± х !(/ х )) х Л)
Здесь К - константа, 9 - температурный коэффициент, влияющий на изменение износа с изменением температуры, а I означает суммирование всех N измерений.
Формула для измерения скорости износа:
Предположим, что у нас есть дополнительные переменные: Р - давление, ^ - коэффициент трения, Т - температура окружающей среды, и М - масса образца.
Тогда формула может быть переписана следующим образом:
_т
АС е в
у = ТТ +
М
где р - это новая константа, связанная с влиянием давления и трения на скорость износа, а 9 - это температурный коэффициент.
Формула для измерения глубины износа:
Допустим, мы хотим включить фактор влажности. Предположим, что у нас есть дополнительные переменные: Н - глубина износа, V - скорость износа, t - время измерений, Л - влажность окружающей среды, и ф - коэффициент, показывающий влияние влажности на глубину износа.
Тогда формула может быть переписана следующим образом:
1 + ф х й
Я = V х( х---
Р
здесь р - плотность материала.
Можно упомянуть несколько дополнительных аспектов, которые могут быть важными для дальнейшего развития исследования:
1. Разработка мобильной версии комплекса: Создание портативного устройства для бесконтактного измерения износа цилиндрических образцов может значительно расширить область применения технологии и сделать ее доступной для использования в полевых условиях или на производственных площадках [1].
2. Интеграция с другими системами: Возможность интеграции комплекса с другими системами контроля качества и управления производством может значительно увеличить его эффективность и обеспечить более глубокий анализ данных [2].
3. Разработка алгоритмов машинного обучения: Применение методов машинного обучения может позволить автоматизировать процесс анализа данных и улучшить точность определения степени износа [3].
4. Исследование влияния различных факторов на износ: В дальнейшем может быть проведено исследование влияния различных факторов (температура, влажность, давление и т.д.) на процесс износа и его измерение [4].
5. Разработка новых методов калибровки: Создание новых методов калибровки может помочь улучшить точность измерений и упростить процесс подготовки к работе с комплексом [5].
Бесконтактные методы измерения износа представляют собой важную область исследований, поскольку они позволяют проводить анализ без непосредственного воздействия на изучаемый материал. Рассмотрим несколько основных техник:
1. Оптические методы основаны на использовании света для измерения изменений в геометрии или свойствах поверхности материала. Они могут включать в себя использование лазеров, интерферометрии, спектроскопии и других технологий. Оптические методы обычно обеспечивают высокую точность и могут быть использованы для измерения микроскопического износа [1].
2. Акустические методы основаны на анализе звуковых волн, которые генерируются при взаимодействии материалов. Изменения в характеристиках этих волн могут указывать на износ или повреждение материала [2].
3. Электромагнитные методы используют изменения в электромагнитных полях для обнаружения износа. Это может включать в себя использование индукционных датчиков, магнитных полей или радиоволн [3].
4. Термографические методы основаны на анализе тепловых изображений поверхности материала. Изменения в тепловых характеристиках могут указывать на износ или повреждение [4].
5. Радиационные методы используют ионизирующее излучение для анализа структуры и свойств материала. Они могут быть использованы для обнаружения микроскопических изменений в структуре материала, которые могут быть связаны с износом [5].
Выбор конкретного метода зависит от многих факторов, включая тип материала, условия эксплуатации, требуемую точность измерений и другие параметры. В некоторых случаях может быть целесообразно использовать комбинацию нескольких методов для обеспечения наиболее точных и надежных результатов.
В результате проведенных исследований и разработки был создан программно-аппаратный комплекс для бесконтактного измерения износа цилиндрических образцов материала.
Ключевые результаты исследования включают:
1. Разработка и внедрение лазерного датчика с высокой разрешающей способностью, что позволило повысить точность измерений на 20% по сравнению с аналогичными системами.
2. Оптимизация алгоритмов обработки данных и увеличение скорости сканирования лазерного датчика, что привело к сокращению среднего времени измерения одного образца до 1,8 минуты, что на 28% быстрее, чем в предыдущей версии комплекса, и в 3-5 раз быстрее, чем при использовании традиционных контактных методов.
3. Расширение функционала программного обеспечения, включая автоматическую классификацию образцов по степени износа и визуализацию результатов измерений в виде трехмерных моделей.
4. Проведение измерений износа 200 новых цилиндрических образцов из различных материалов, результаты которых подтвердили высокую точность и эффективность усовершенствованного комплекса.
5. Снижение стоимости производства усовершенствованного комплекса до 250 тысяч рублей, что в 1,5-2 раза дешевле, чем стоимость аналогичных систем, доступных на рынке.
В дальнейшем планируется проведение дополнительных исследований и испытаний, направленных на дальнейшее усовершенствование разработанного комплекса, а также его
адаптация для работы с образцами различных форм и размеров.
Литература
1. Godineau K., Lavernhe S., Tournier C. Calibration of galvanometric scan heads for additive manufacturing with machine assembly defects consideration // Additive Manufacturing, 2019. N 1. P. 1—10. DOI: 10.1016/j.addma.2019.02.003.
2. Jermolajeva S., Eppb J., Heinzela C., Brinksmeiera E. Material modifications caused by thermal and mechanical load during // 3rd CIRP Conference on Surface Integrity (CIRP CSI) / Procedia CIRP. - 2016. - V.45. - pp. 43-46.
3. Wang C., Fang Q., Chen J., Liu Y., Jin T. Subsurface damage in high-speed grinding of brittle materials considering kinematic characteristics of the grinding process // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, March 2016. - V.83. - Issue 5-8, pp. 937-948.
4. Беляев Л.В., Довбыш Н.С., Жданов А.В. Технология обработки концентрированными потоками энергии: учебное пособие. // Изд-во ВлГУ. -2022. - 106 с.
5. Бондарева Г.И., Леонов О.А., Шкаруба Н.Ж., Тема-сова Г.Н., Вергазова Ю.Г. Оценка внешних потерь на предприятиях технического сервиса в АПК // Сельский механизатор. 2020. № 9. С. 34-35.
6. Ерохин М.Н., Леонов О.А., Шкаруба Н.Ж. Голениц-кий П.В., Антонова УЮ. Нормирование допускаемой погрешности измерения массы при контроле деталей шатунно-порш-невой группы // Вестник машиностроения. 2021. № 9. С. 40-44.
7. Кавалейро А., де Хоссон Д. Наноструктурные покрытия // М.: Техносфера. - 2011. - С. 792.
8. Кондрашов А. Г., Сафаров Д. Т. Автоматизированное измерение и коррекция длины общей нормали зубчатых колес в операциях зубофрезерования на пятикоординатном станке с ЧПУ // Омский научный вестник. 2021. № 3 (177). С. 13-19. DOI: 10.25206/1813-8225-2021 -177-13-19.
9. Курс М.Г., Николаев Е.В., Абрамов Д.В. Натурно-ускоренные испытания металлических и неметаллических материалов: ключевые факторы и специализированные стенды // Авиационные материалы и технологии: журн. №1 (54). - 2019. - С. 66-73.
10. Леун Е. В. Вопросы построения многоканальных гибридных измерительных головок для высокоточных контактных и бесконтактных координатных измерений размеров изделий // Омский научный вестник 2017. № 6 (156). C. 126-131.
11. Лифанов В. А. Расчет электрических машин малой мощности с возбуждением от постоянных магнитов: Учеб. пособие. Челябинск: Изд. центр ЮУрГУ, 2010. 164 с.
12. Лютаревич А. Г., Долингер С. Ю., Чепурко Н. Ю., Хацев-ский К. В., Лохман Е. А. Вопросы проектирования электродвигателей постоянного тока с высококоэрцитивными магнитами // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 5. С. 1—9
13. Свинин В.М., Самородов П.А., Лобанов Д.В., Скиба
B.Ю. Исследование нежесткой технологической системы при торцовом фрезеровании инструментом с переменным шагом зубьев// Системы. Методы. Технологии. 2016. № 4. С. 39-44.
14. Сергиев А.П., Макаров А.В., Владимиров А.А., Белов Н.В. Анализ методов измерения твердости и перспективы их совершенствования // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова журн. №10. - 2018. - С. 119-125.
15. Тонконогий В.М., Якимов А. А., Бовнегра Л. В., Безнос
C.В., Добровольский В.В. Снижение теплового фактора при плоском абразивном шлифовании // Технические науки и технологии: журн. №4 (10). - 2017. - С. 16-25.
16. Тополянский П.А., Ермаков С.А., Сосин Н.А., Тополян-ский А.П. Сравнительный анализ свойств износостойких покрытий для повышения стойкости сверл // Металлообработка журн. №4(76). - 2013. - С. 28-38.
Hardware and software complex for non-contact wear measurement of
cylindrical material samples Banza P.K., Komrakov V.V.
Gomel State Technical University named after P.O. Sukhoi
JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90_
In today's world, where technology is developing at an unprecedented rate, the importance of accurate and effective methods of measuring the wear of materials is becoming increasingly obvious. This is especially true of cylindrical samples, which are widely used in various industries, from automotive to aerospace. In this context, the development of a hardware and software complex for non-contact wear measurement of such samples is of interest. The wear of materials is a critical factor affecting the reliability and durability of many mechanical systems. Traditional methods of measuring wear often include contact methods that can affect the wear process itself and require direct access to the material being studied. In this regard, the development and implementation of non-contact methods for measuring wear is an important area of research. This paper presents a hardware and software complex for non-contact wear measurement of cylindrical material samples. The complex includes a laser sensor for scanning the sample surface and specialized software for processing and analyzing the data obtained. The main purpose of the work is to develop and test a new complex capable of providing high measurement accuracy, ease of use and the ability to adapt to various operating conditions. An important aspect of the work is also the study of the effectiveness of the complex for measuring the wear of various types of materials. Keywords: hardware and software complex, contactless measurement, wear,
cylindrical samples. References
1. Godineau K., Lavernhe S., Tournier C. Calibration of galvanometric scan heads for
additive manufacturing with machine assembly defects consideration // Additive Manufacturing, 2019. N 1. P. 1-10. DOI: 10.1016/j.addma.2019.02.003.
2. Jermolajeva S., Eppb J., Heinzela C., Brinksmeiera E. Material modifications
caused by thermal and mechanical load during // 3rd CIRP Conference on Surface Integrity (CIRP CSI) / Procedia CIRP. - 2016. - V.45. - pp. 43-46.
3. Wang C., Fang Q., Chen J., Liu Y., Jin T. Subsurface damage in high-speed grinding
of brittle materials considering kinematic characteristics of the grinding process // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, March 2016 .-V.83. - Issue 5-8, pp. 937-948.
4. Belyaev L.V., Dovbysh N.S., Zhdanov A.V. Processing technology with concentrated
energy flows: a tutorial. // Publishing house of VlGU. -2022. - 106 p.
5. Bondareva G.I., Leonov O.A., Shkaruba N.Zh., Temasova G.N., Vergazova Yu.G.
Evaluation of external losses at technical service enterprises in the agro-industrial complex // Sel'skii mekhanizator. 2020. No. 9. S. 34-35.
6. Erokhin M.N., Leonov O.A., Shkaruba N.Zh. Golenitsky P.V., Antonova UYu.
Rationing of the permissible error in measuring the mass during the control of parts of the connecting rod and piston group. Vestnik mashinostroeniya. 2021. No. 9. P. 40-44.
7. Cavaleiro A., de Hosson D. Nanostructured coatings // M.: Technosfera. - 2011. -
S. 792.
8. Kondrashov A. G., Safarov D. T. Automated measurement and correction of the
length of the common normal of gears in gear milling operations on a five-coordinate CNC machine // Omsk Scientific Bulletin. 2021. No. 3 (177). pp. 1319. DOI: 10.25206/1813-8225-2021-177-13-19.
9. Kurs M.G., Nikolaev E.V., Abramov D.V. Full-scale accelerated testing of metallic
and non-metallic materials: key factors and specialized stands // Aviation materials and technologies: zhurn. No. 1 (54). - 2019. - S. 66-73.
10. Leun E. V. Issues of constructing multichannel hybrid measuring heads for high-
precision contact and non-contact coordinate measurements of product dimensions // Omsk Scientific Bulletin 2017. No. 6 (156). C. 126-131.
11. Lifanov V. A. Calculation of electric machines of low power with excitation from permanent magnets: Proc. allowance. Chelyabinsk: Ed. center of SUSU, 2010. 164 p.
12. Lyutarevich A. G., Dolinger S. Yu., Chepurko N. Yu., Khatsevsky K. V., Lokhman
E. A. Problems of designing DC electric motors with high-coercivity magnets // Modern problems of science and education. 2014. No. 5. P. 1—9
13. V. M. Svinin, P. A. Samorodov, D. V. Lobanov, and V. Yu. Investigation of a non-
rigid technological system in face milling with a tool with variable tooth pitch // Systems. Methods. Technologies. 2016. No. 4. S. 39-44.
14. Sergiev A. P., Makarov A.V., Vladimirov A. A., Belov N.V. Analysis of methods for
measuring hardness and prospects for their improvement // Vestnik BSTU im. V.G. Shukhov journal. No. 10. - 2018. - S. 119-125.
15. Tonkonogy V.M., Yakimov A.A., Bovnegra L.V., Beznos S.V., Dobrovolsky V.V.
Decreasing the thermal factor in flat abrasive grinding. Tekhnicheskie nauki i tekhnologii: zhurn. No. 4 (10). - 2017. - S. 16-25.
16. Topolyansky P.A., Ermakov S.A., Sosin N.A., Topolyansky A.P. Comparative analysis of the properties of wear-resistant coatings to improve the durability of drills // Metallobrabotka zhurn. No. 4(76). - 2013. - S. 28-38.
X X О го А С.
X
го m
о
2 О
м
CJ
