Введение к работе
Актуальность темы. Современное промышленное производство характеризуется быстрой и регулярной модификацией изделий, 'потребует высокого уровня автоматизации, как технологических процессов, так и автоматизации контроля качества. При этом особое значение приобретают неразрушаю-шие методы контроля, позволяющие производить стопроцентный контроль изделий и автоматическое управление технологическими процессами с обратной связью по качеству.
Весьма эффективными являются электромагнитные методы неразрушаю-щего контроля, так как они обладают высоким быстродействием, достаточной точностью, бесконтактны и позволяютиолучить информацию о распределении физико-механических свойств изделия но его толщине. Очевидно, что при переналадке технологического процесса должна происходить и перенастройка системы контроля качества, поэтому процесс перенастройки диагностического оборудования должен выполняться также быстро, как и производящего. Однако применяемые до сегодняшнего дня методы настройки приборов электромагнитного неразрушающего контроля с трудом поддаются автоматизации, так как связаны с изготовлением и экспериментальным исследованием большого количества эталонных настроечных образцов. Это требует значительных затрат времени, что делает невозможной быструю'переналадку системы контроля на новую задачу и сдерживает внедрение устройств электромагнитного контроля в систему комплексної! автоматизации производства.
Значительно ускорить и автоматизировать процесс настройки системы диагностики позволит применение виртуального эталона - совокупности модели изделия, математической модели образования сигнала датчика и имитационной компьютерной модели. Виртуальный эталон позволяет определять коэффициенты для настройки устройства электромагнитного контроля методом компьютерного эксперимента, что позволит значительно ускорить процесс переналадки системы диагностики. Однако широко внедрять компьютерное моделирование при помощи виртуального эталона не позволяет недостаточная теоретическая проработка взаимодействия электромагнитного поля с проводящим ферромагнитным материалом в применении к задачам неразрушающего контроля (т.е. слабая математическая модель), а также недостаточно разработанные методы оценки информативности сигналов системы контроля (это вызвано недостатками применяемых имитационных моделей), что приводит к использованию диагностических признаков, слабо связанных с закономерностями, определяющими процессы при поверхностном упрочнении.
Таким образом, диссертационная работа посвящена решению актуальной научно-технической проблемы: применению виртуального эталона для настройки систем электромагнитного неразрушающего контроля, что позволяет автоматизировать процесс диагностики качества изделий.
Цель и основные задачи диссертационной работы. Основной целью диссертационной работы является автоматизация контроля качества, сокращение длительности процесса настройки и повышение точности приборов нераз-рушающего контроля. Для достижения поставленных целей предлагается создание трех математических моделей: модель электромагнитного накладного датчика, модель стального изделия с учетом распределения его свойств по толщине при поверхностном упрочнении, математическая модель образования сигнала датчика. Эти три модели, объединенные в имитационной компьютерной модели, составляют виртуальный эталон для настройки систем диагностики изделий.
В связи с этим возникла необходимость решения следующих научных и практических задач:
создать математическую модель образовании сигнала электромагнитного датчика, учитывающую основные физические явления, определяющие этот сигнал;
вывести из нее уравнения ЭДС датчика для основных гармоник тока возбуждения датчика и для комбинационных колебаний при многочастотном возбуждении для последующего использования их в имитационной модели;
для идентификации и проверки модели экспериментально измерить зависимость электромагнитных параметров стальных изделий от факторов технологической обработки при поверхностном упрочнении;
разработать имитационную модель процесса электромагнитного нераз-рушающего контроля качества поверхностного упрочнения;
разработать методику применения разработанной имитационной модели для настройки приборов неразрушающего контроля.
Основные результаты и степень их научной новизны.
-
Уравнения ЭДС как для основных, так и для комбинационных колебаний, возникающей в электромагнитном датчике, расположенном над многослойной нелинейной ферромагнитной проводящей средой. В отличие от известных уравнений двухслойной модели изделия, описывающей только однородные упрочненный слой и неупрочненную основу, многослойная модель более достоверно описывают фактическое изменение свойств по толщине изделия при переходе от упрочненного слоя к неупрочиенному.
-
Критерий оценки применимости комбинационных колебаний для электромагнитного контроля, в тех случаях, когда они информативнее основных колебаний. Например, для стали 40Х, упрочненной борированием, информативность комбинационных колебаний в 2,5 раза выше, чем основных.
-
Обобщенная имитационная модель для настройки приборов неразрушающего контроля, разработанная на основе полученных математических моделей основных и комбинационных колебаний и позволяющая автоматизировать процесс настройки, а также определить наилучшие условия контроля с целью повысить его точность.
4. Метод улучшения условий неразрушающего контроля по результатам имитационного моделирования, который в отличие от известных методов, основанных на анализе годографов внесенного сопротивления, позволяет в несколько раз повысить точность диагностики свойств изделий.
Методы исследовании. В диссертации применялись методы теории электромагнитного поля, математического анализа, преобразования Фурье, статистического и регрессионного анализа, планирования эксперимента.
Для обработки результатов экспериментальных исследований использовалось программное обеспечение статистического и реірессионного анализа.
Для реализации имитационной модели разработан специализированный программный комплекс.
Достоверность результатов исследовании. Достоверность результатов исследования достигается выбором хорошо зарекомендовавшей себя теории взаимодействия электромагнитного поля с проводящим ферромагнетиком, а также за счет корректного применения методов математического анализа, моделирования, статистической обработки результатов. Общий объем имитационно-численных экспериментов, проведенных при решении различных задач и вариациях параметров модели, составил более 103 опытов. Обнаружено хорошее совпадение результатов моделирования с результатами экспериментальных исследований.
Практическая значимость результатов работы. Рассмотренные в диссертации математическая и имитационная модели, составляющие виртуальный эталон, позволят автоматизироваїь и значительно ускорить процесс настройки' устройств диагностики, заменив изготовление и исследование большого количества настроечных образцов компьютерным моделированием, что позволят использовать эти устройства в системах автоматизации производства. Выделение из сигнала датчика информации о зазоре датчик-изделие, позволяет автоматизировано непосредственно процесс контроля путем поддержания неизменного зазора следящей системой. Для этого виртуальный эталон позволяет производить настройку контроля зазора.
Практически значимыми результатами диссертации являются:
метод настройки систем для неразрушающего контроля качества упрочнения стальных изделий, базирующийся на методе виртуального эталона, позволяющий существенно ускорить процесс настройки этих систем;
имитационной модель, позволяющая производить настройку устройств неразрушающего контроля, а также прикладные исследования в области влияния физико-механических и технологических факторов на результативность неразрушающего контроля;
патент на электромагнитное устройство для многопараметрового контроля ферромагнитных изделий, использующее результаты, приведенные в диссертации;
прибор для автоматизированного неразрушающего контроля качества упрочнения изделий, внедренном на ОАО «Роствертол»;
программа для персонального компьютера, реализующая имитационную модель и позволяющая производить настройку устройств неразрушающего контроля а также проводить исследования в виде компьютерного эксперимента.
Практическая значимость работы подтверждается тем, что часть работы выполнялась по гранту фундаментальных исследований в области энергетики її электротехники.
Апробация результатов диссертационной работы. Основные результаты диссертации доложены и опубликованы в материалах следующих конференций:
XIV международной открытой научной конференции «Современные проблемы информатизации в анализе и синтезе технологических и программно-телекоммуникационных систем» - Воронеж, 2009.
II Международный семинар студентов аспирантов и ученых «Системный анализ, управление и обработка информации» - Дивноморск, 2011.
Публикации..По материалам диссертации опубликовано 17 работ и получен патент на изобретение. Из них 5 работ опубликованы в рецензируемых научных журналах и изданиях. Самостоятельными публикациями являются б работ, остальные опубликованы в соавторстве.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложена на 150 страницах машинописного текста, включая 55 рисунков, 7 таблиц и библиографию из 95 наименований, а также трех приложений.
