CC BY
82
Осипов А.П.
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕОМЕТРИИ АБРАЗИВНЫХ ЗЕРЕН
OsipovA.P.
THE SOFTWARE FOR ABRASIVE GRAIN GEOMETRY RESEARCH
Ключевые слова: программное обеспечение; абразивное зерно; геометрические параметры.
Keywords: software; abrasive grain; critical bucklings.
Аннотация
Описано программное обеспечение для определения геометрических характеристик абразивных зерен, его структура и функциональные возможности. Показаны преимущества использования разработанного программного обеспечения.
Abstract
Thesoftwareforcalculatingabrasivegraincriticalbucklingswaspresented. The software structure andfunctions was described. The advantages of developed software was presented.
Общеизвестно, что микропрофиль обработанной поверхности определяется микропрофилем рабочей поверхности инструмента. Если при изготовлении лезвийного инструмента имеется возможность придать режущей кромке необходимую форму, то зерна абразивного инструмента характеризуются случайной формой и случайными геометрическими параметрами рабочей части, устоявшейся моделью которой следует считать конус с округленной вершиной с радиусом округления вершины р и углом при вершине е [1-3]. Методика определения этих параметров предложена в 60-х годах XX века Ваксером Д.Б. [4]. Он же предложил еще одну характеристику абразивного зерна -коэффициент формы, как отношение большой и малой полуосей эллипса, которым аппроксимируют зерно. Все характеристики в данной методике определяются для 4-5 элементов проекции абразивного зерна, которые выбирает исследователь по субъективному критерию остроты без учета влияния глубины исследования и направления возможного движения зерна.
Для использования экспериментальных данных на практике необходимо провести большое количество опытов. Если при этом учесть, что рабочая часть абразивного зерна может внедряться в обрабатываемый материал на различную глубину под произвольным углом, количество обработанных данных возрастает многократно. Кроме того, исследования могут проводиться многими исследователями с различными абразивными материалами, часто имеющими уникальные свойства, и каждому исследователю необходимо хранить обработанные результаты.
Таким образом, актуальность автоматизации экспериментальных исследований при определении геометрических параметров абразивных зерен для научного коллектива, занимающегося в области теории шлифования, является несомненной.
Учитывая вышесказанное, целью данной работы являлось создание программного обеспечения, позволяющего определять необходимые геометрические параметры абразивных зёрен, обрабатывать полученные результаты и формировать отчёт.
Поскольку абразивные зерна являются абразивными частицами - структурными элементами абразивного пространства инструмента, поиск аналогов проводился в области исследований гранулометрического состава материалов и их структуры. Анализ программного обеспечения показал, что на рынке присутствуют главным образом программные продукты анализа цифровых изображений микроструктуры материалов [59], и только аппаратно-программный комплекс «PartAn - Video Image Analysis» предназначен для высокопроизводительного анализа геометрических параметров фракции
частиц во взвешенном состоянии [7]. Диапазон размеров исследуемых частиц от 10 мкм до 6 см. Во всех программных продуктах отсутствует возможность определения геометрических параметров абразивных зерен.
На кафедре «Технология машиностроения» Сызранского филиала «Самарского государственного технического университета» разработана программа «Исследователь абразивных зерен» [10], которая позволяет определять следующие геометрические параметры абразивных зерен:
• Большая и малая полуоси эллипса, аппроксимирующего зерно;
• Коэффициент формы абразивного зерна, как отношение полуосей аппроксимирующего эллипса
• Наибольший размер зерна;
• Стороны описанного вокруг зерна прямоугольника с наименьшим периметром;
• параметры Ъ и и аппроксимации проекции рабочей части вершины абразивного зерна, их максимальные и минимальные значения, предложенные автором в работе [11];
• радиус округления вершины р и угла при вершине ^проекции рабочей части, в зависимости от глубины исследования.
• Процент зерен производящих стружку и зерен, только деформирующих материал;
Параметры Ъ и и определяются в 360 положениях рабочей части абразивного зерна отдельно для левой и правой сторон, что позволяет учесть 720 положений рабочей части абразивного зерна относительно обрабатываемой поверхности. Эти параметры, так же как радиус округления вершины р и угла при вершине шпределяются в зависимости от глубины исследования раздельно для зерен, производящих стружку, и зерен, только деформирующих материал. Выделение зерен, производящих стружку, ведется по критерию
1
1—v
<hP, (1)
где [5], [\|/] - относительное удлинение и относительное сужение обрабатываемого материала при разрыве для заданных условий деформации;
hP - глубина исследования.
Программа «Исследователь абразивных зёрен V1.6» состоит из файла приложения ResFraction.exe, базы данных (БД) ресурсов ResourcesDB.mdb (файл MSOfficeAccess 2003), шаблона формируемых отчетов (документ MSOfficeExcel 2003), файла конфигурации ResFraction.cfg (файл MSOfficeOutlook) и файла справки Researcher.hlp. База данных представляет собой папку с именем «БД абразивов», которая автоматически создается при первом запуске программы в системной папке «Мои документы». Установка программы заключается в копировании указанных файлов на компьютер. Программа имеет следующие системные требования: процессор IntelPentiumIII 1.00 ГГц, 512 МБ ОЗУ и выше; версия ОС MicrosoftWindowsXP, ServicePack 2 Plus, MicrosoftOffice 2003
Структура БД программы представлена на рис. 1. Она состоит из подкаталогов для каждого предприятия-изготовителя (папка с именем предприятия-изготовителя). Каталог предприятия включает в себя следующие файлы:
• файл MSOfficeAccess 2003 ResourcesDB.mdb, содержащий структурированные данные (материалы, фракции, зёрна, рассчитанные параметры);
• файлы формата BMP (64x64 пикселя) для хранения изображения контура;
• бинарные файлы (*.cpf) для хранения координат точек контура зерна.
Предприятие изготавитель ^ Г' 1 l1,JreeObj.mdb..J Предприятие- изготавитель г 1 l1,JreeObj.mdb..J
□ □ *.bmp
□
□
□
□ □ *.bmp
□
□ *^ °
□
Рисунок 1 - Структура спроектированной базы данных Схема работы программы представлена на рисунке 2.
*..Іреа
*Ф£
Исходное
изображение
*.Ьшр
ResourcesDB.mdb
С формированный отчёт
Ресурсы
Клиент- приложение
Исследователь абразивных зёрен VI. 5
Хранилище БД
База данных
Шаблон
документа
^ *.xls^ Сервер-приложение Шаблон ^ отчёта^^
< MS Excel <4
Рисунок 2 - Схема работы разработанной программы
После запуска программы появляется основное окно (рис. 3). В верхней части окна расположено основное меню, через которое можно получить доступ к различным функциям и модулям программы. Ниже расположена основная панель инструментов (поз. 1-8), на которой отображаются состояния опций общего назначения. Слева вертикально расположена панель управления объектами данных (поз. 9-13), которые отображаются в «дереве объектов». Под деревом объектов расположено окно 16 для просмотра графического изображения зерна, хранящегося в базе. Внизу окна находится строка состояния 17, служащая для отображения системных подсказок и вывода информации о некоторых размерах (полуоси «a» и «Ь», в мкм).
Перед началом работы в программе необходимо подключиться к существующей базе данных, либо создать новую БД. Это выполняется в менеджере БД, который вызывается кнопкой 1. Существует возможность удаления БД. После подключения БД окно менеджера БД закрывается автоматически.
Рисунок 3 - Главное окно программы «Исследователь абразивных зёрен V1.5»
Инструментальная панель: 1 - кнопка вызова менеджера баз данных; 2 - кнопки выравнивания положения дочерних окон по горизонтали, по вертикали, каскадом (слева направо соответственно); 3 - кнопка вызова менеджера отчёта; 4 - кнопка вызова модуля настроек шаблонов; 5 - кнопка вызова каталога обрабатываемых материалов; 6 - кнопка контекстной справки; 7 - кнопка вызова справки по программе; 8 - кнопка выхода из программы; панель дерева построений: 9 - кнопка добавления объекта марки абразивного материала; 10 - кнопка добавления объекта зернистости зёрен; 11 - кнопка добавления объекта абразивного зерна; 12 - кнопка удаления выбранного объекта с удалением всех дочерних объектов; 13 - кнопка вызова модуля исследования абразивного зерна; 14, 15 -объекты абразивных зерен в дереве построений; 16 - изображение выбранного абразивного зерна; 17 - строка состояния.
Для разделения абразивных зерен на режущие и давящие необходимо выбрать материал в менеджере материалов, который вызывается кнопкой 5. Менеджер материалов позволяет ввести или удалить данные по материалу, объединять материалы в группы, осуществлять фильтрацию данных по температуре, как главному фактору изменения физико-механических свойств материалов.
Перед началом работы необходимо настроить форму отчета. Для этого открывается кнопкой 4 файл шаблона, а кнопкой 3 менеджер отчетов. Настройка выполняется в визуальном режиме.
Разработанная программа имеет справочную систему в виде внешнего файла «ResearcheпЫp». Программа имеет две функции доступа к справочной информации: кнопка 6 служит для получения контекстной справки по конкретному элементу управления, кнопка 7 служит для запуска справочной системы, которая содержит информацию об интерфейсе программы, методике расчёта параметров и авторскую информацию.
Структура данных подключенной БД отображается в дереве объектов. Объекты марок абразивных материалов являются первым уровнем вложенности (вершиной дерева). Функция добавления марки абразивного материала 9 доступна всегда. Вторым уровнем вложенности является фракция зёрен (зернистость). Объект фракции создаётся только для объекта марки абразивного материала. Объекты марки абразивного материала и фракции создаются без названия, которое в дальнейшем выбирается пользователем из выпадающего списка дерева объектов. К третьему уровню относятся объекты абразивных зёрен 14-15. Объекты абразивных зёрен в дереве построений различаются: объекты, содержащие расчетные данные (поз. 14 на рис. 3) отмечаются знаком «ОК», объекты, содержащие только среднестатистические значения параметров режущих кромок зерна (поз. 15 на рис. 3) таким знаком не отмечаются
Для добавления в базу объекта абразивного зерна необходимо вызвать модуль обработки исходного изображения (файлы формата BMP, JPG), нажав кнопку 11. После загрузки исходного изображения из файла появляется модуль обработки исходного изображения, представляющий собой дочернее окно (рис. 4).
Рисунок 4 - Окно модуля «Обработка исходного изображения»
1 - кнопка выбора контуров зерен; 2 - кнопка запуска расчёта параметров и сохранения данных в базе; 3 - кнопка «Рисовать контур зерна»; 4 - кнопка «Рисовать фон»; 5 - кнопка «Размер пера»; 6 - кнопка «Обновить изображение»; 7 - поле «Увеличение микроскопа»; 8 - выпадающий список «Размер матрицы»; 9 - поле «Цветовой порог»; 10 - Список «Выделенные зёрна».
Перед началом обработки изображения абразивного зерна необходимо ввести увеличение микроскопа в поле 7 и выбрать физический размер матрицы фотоаппарата в поле 8. Для автоматического выделения зерен на изображении предназначена функция «Цветовой порог» 9. Цвета со значением выше цветового порога будут отображаться как белый цвет и будут служить фоном. Используя кнопки дорисовки изображения черным цветом 3 или стирания изображения заполнением его цветом фона 4, можно более точно выделить контуры зерен. Размер кисти выбирается кнопкой 5. Если пользователь не удовлетворен результатами выделения контуров зерен, он может вывести исходное
изображение заново кнопкой 6. Для выделения контуров зерен служит кнопка 1: при выделении контура кликом левой кнопки мыши на изображении зерна появится порядковый номер, а в списке 10 «Выделенные зёрна» - соответствующий маркер («Зерно №°...»). После указания зерна (зёрен) маркер 1 необходимо отключить, тогда отмеченные объекты выделяются по контуру красным цветом. После выбора зерен в списке 10 для запуска процесса расчёта параметров необходимо нажать кнопку 2 «Рассчитать параметры». После расчета контура и сохранения данных окно модуля обработки изображений можно закрыть и приступить к исследованиям с помощью модуля исследований.
Использование этого модуля (рис. 5) доступно только для объектов абразивных зёрен, имеющих образ зерна (поз. 14 на рис. 3). Модуль является дочерним окном основной формы, поэтому возможна работа с несколькими открытыми объектами зёрен.
1 2 З і 5 6 7
ИЬспрамвігі» «ібр»**м*имх іррен VI,5 -[Ь'соїг до «йми? »$|*»>нвмрі*
і
*
ш
ж
Де*»іо6у&стсв Сюл ОфЖД
Наиепемте объезд |г »»*■< |
9 >»гоос*>*іа ЛД
ф Дідііі^ікцОв цміми (іА
- 9
- Ч 3«*«стоаь№іг
3 170330» 1.23
<3 170330» 1 С
3 1703»» 1 ГО
3 17 0330» 211
<3 170)20159 1.51
3 170130» 1 17
<3 17 03201» 1Л
3 1703 ах» 1 19
:31703 зога 225
3 170320» 1 17
<3 170330» 1.6
<3 170) ЭХ» 107
3 170330» 1 (Л
3 1703 30» 1 С
(3 170320» 119
<3 170330» 1 м
• ’Л ІцмкпщІМІ) 1 " .
Прс*мр»Г€гммкпрсо«аір . 4 І
ЪШЫ (ССПВУИіИИ »(»»*«
г іУ<»Ч
С»»«!И|НЯ ГУ*«ІУ> * уім-Л *і
-к*»*» мс«>і
гр^мшмб мк
П<ра»«?рф(м»и»*<8 гаї
51.52
11*21
1.23
їдь
В.74и
меас
568,0 иіцір <61.6 ти
Рисунок 5 - Окно модуля «Исследование абразивного зерна»
1 - кнопка «Поворот против часовой стрелки»; 2 - кнопка «Поворот по часовой стрелке»; 3 - кнопка увеличения глубины исследования; 4 - кнопка уменьшения глубины исследования; 5 - панель переключателей для выбора параметров, для которых строится график в панели «Статистические исследования»; 6 - область изображения; 7 - область данных
В центре окна расположена область 6 с изображением исследуемого абразивного зерна. Зелёной линией на изображении зерна обозначена глубина исследовании. Вершина зерна отмечена красной точкой, к ней привязана система координат YOZ (выделена жёлтым цветом). В нижней части окна 7 находятся две закладки с результатами исследований для текущей глубины исследования (рис. 6) и графиками зависимости отдельных параметров от глубины исследования (рис. 7).
В процессе исследования можно изменять положение абразивного зерна относительно обрабатываемой поверхности поворотом против часовой и по часовой стрелке кнопками 1-2, изменять положение глубины исследования кнопками 3-4, менять графики зависимостей в соответствующей закладке кнопками-переключателями 5.
Результаты исследования кромки | Статистические данные
Наименование переметра Значение
Г лубина исследования,^ 95
Максимальная рабочая глубина, мкм 2,78
Глубина вырывания зерна, мкм 7,94
Коэффициент Формы зерна 1,08
Коэффициент Формы Фракции 1,31
Параметр Фракции В max 8,5672
Параметр Фракции В min 6,4882
Параметр Фракции V max 0,9397
Параметр Фракции V min 0,7452
Параметр кромки В (левая) 0,8175
Параметр кромки В (правая) 20,0000
Параметр кромкиУ(левая) 0,8523
Параметр кромки У(правая) 0,6333
Угол вершины зерна, гредуса(ов) 106,46
Радиус вершины зерна, мкм 18,76
Минимальная глубина снятия стружки, мкм NAN
Рисунок 6 - Закладка «Результаты исследования кромки»
Рисунок 7 - Закладка «Статистические данные»
Разработанное программное обеспечение использовалось для исследования зерен электрокорунда марки 14А зернистостей 20-125 производства Челябинского абразивного завода, карбида кремния зеленого 63С и карбида кремния черного 53С зернистости 16-50 производства Волжского абразивного завода. Были обработаны более 1500 изображений. Полученные результаты позволили создать базу данных параметров абразивных зерен для указанных абразивных материалов и их зернистостей. Эти данные использовались в научной деятельности при моделировании процесса формирования микропрофиля обработанной поверхности при шлифовании [12] и при определении штучной плотности абразивных материалов.
В ходе практического использования установлено, что разработанное программное обеспечение позволяет в несколько десятков раз увеличить производительность исследования, позволяет определять параметры с достаточной степенью точности.
Все вышесказанное позволяет рекомендовать программу «Исследователь абразивных зерен» для научно-исследовательской деятельности в области шлифования и для лабораторно-аналитической деятельности на предприятиях по производству абразивных материалов и абразивного инструмента, в том числе для нестандартных задач
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бишутин, С.Г. Обеспечение требуемой совокупности параметров качества поверхностных слоев деталей при шлифовании. - М.: Машиностроение-1, 2004. - 144 с.
2. Лурье, Г.Б. Шлифование металлов. - М.: Машиностроение, 1969. - 172 с.
3. Филимонов, Л. Н. Высокоскоростное шлифование. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1979.- 248 с.
4. Ваксер, Д.Б. Пути повышения производительности абразивного инструмента при шлифовании.- М.-Л.: Машиностроение, 1964. - 124с.
5. Видео-тест структура. Программная часть [Электронный ресурс] / ООО «ВидеоТест».- URL: http://www.videotest.ru/ru/others/9.- 25.03.2012.
6. Программа ImageExpertTMPro 3 [Электронный ресурс] / ООО «Новые экспертные системы».- URL: http://www.nexsys.ru/iepro3x.htm.- 25.03.2012.
7. PartAn - Video Image Analysis [Электронныйресурс] / Sci Tec Inc.- URL: http://www.sci-tec-inc.com/image.html7reload_coolmenus.-25.03.2012.
8. Пакет программ обработки и анализа металлографических изображений "SPECTR МЕТ" [Электронный ресурс] / ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР».- URL: http://www.niiin.ru/str/1/13/134/.- 25.03.2012.
9. Промышленный программно-аппаратный комплекс анализа изображений SIAMS 700 [Электронный ресурс] / ЗАО «SIAMS».- URL: http://www.siams.com/products/siams700/siams700.htm.- 25.03.2012.
10. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2008612376. Исследователь абразивных зерен / Дрябов А.Н., Осипов А.П.; правообладатель ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет».-№2008611390; заявл. 02.04.2008; зарег. 16.05.2008.
11. Осипов, А.П. Моделирование шероховатой поверхности методом суперпозиции относительных опорных кривых // Вестник Сам.гос. тех. ун-та, серия «Физико-математические науки», 2002. - с.168 - 175.
12. Широков, А.В., Осипов А.П. Имитационное моделирование формообразования шлифованной поверхности // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - Самара: СамНЦ РАН. - 2011. - Т.13. - №4(3). - с. 905-909.
