eng
Выпуск #4/2024
К. Епифанцев
МУЛЬТИСЕНСОРНАЯ КЛАСТЕРНАЯ СКАНИРУЮЩАЯ СИСТЕМА КРУГЛОМЕРОВ
МУЛЬТИСЕНСОРНАЯ КЛАСТЕРНАЯ СКАНИРУЮЩАЯ СИСТЕМА КРУГЛОМЕРОВ
Просмотры: 502
DOI: 10.22184/1992-4178.2024.235.4.114.118
Рассматривается вопрос применения триплексного (мультисенсорного) датчика емкостно-оптически-вихретокового типа, имеющего предварительную систему преобразования. Датчик был использован как альтернатива контактного щупа при измерениях на кругломере RoundTest RA-120P.
Рассматривается вопрос применения триплексного (мультисенсорного) датчика емкостно-оптически-вихретокового типа, имеющего предварительную систему преобразования. Датчик был использован как альтернатива контактного щупа при измерениях на кругломере RoundTest RA-120P.
Теги: contact probe eddy current sensor geometry defects non-contact triplex sensor бесконтактный триплексный датчик вихретоковый датчик дефекты геометрии контактный щуп
Мультисенсорная кластерная сканирующая система кругломеров
К. Епифанцев, к. т. н.
Рассматривается вопрос применения триплексного (мультисенсорного) датчика емкостно-оптически-вихретокового типа, имеющего предварительную систему преобразования. Датчик был использован как альтернатива контактного щупа при измерениях на кругломере RoundTest RA-120P.
В настоящее время настройка кругломера [1] с контактным щупом сопровождается дополнительными сложностями в связи с длительной операцией выравнивания стола и осей, а также возможностью повреждения контактного щупа из-за необработанной детали, о которую он истирается. Подобранные характеристики триплексного датчика позволили использовать его вместо контактного щупа при измерении дефектов формы детали (круглости, цилиндричности, концентричности, биения) для разных материалов.
Применение датчика для бесконтактного измерения разных материалов – это его преимущество. Процесс измерения дефектов формы производится с помощью кругломеров, в основе которых лежит воздушный подшипник вращения, работающий от компрессора и вращающий координатный стол и контактный щуп, производящий сканирование детали в определенных сечениях для выявления дефектов геометрии.
Современные технологии создания высокоскоростных движителей стремятся минимизировать вибрационные нагрузки при вращении двигателя для увеличения КПД установки и увеличения срока службы подшипников и кинематических пар.
Именно поэтому развитие приборов данного класса отечественной разработки является главной задачей отечественного приборостроения. Процесс работы алгоритма программного обеспечения кругломера имеет ряд фильтров, механических компенсаторов, позволяющих достигнуть субмикронной точности при измерениях для определения микродефектов геометрии, которые впоследствии могут приводить к развитию вибрационных нагрузок.
Основная цель работы – создать прототип бесконтактного триплексного датчика для измерения дефектов формы для импортозамещения контактного щупа австрийского производства (рис. 2).
В исследовании [2] представлен лазерный кругломер О.А. Заякина, который был взят в качестве прототипа.
На рис. 3 представлены испытанные в разное время щупы различных типов, соединение которых и было положено в основу триплексного щупа.
Результаты измерения на датчиках, перечисленных на рис. 3, представлены на рис. 4. На осциллографе (рис. 4а) видны скачки осциллограммы, которые были зарегистрированы при микросмещении винта и приближении линзы вихретокового (емкостного) датчика
к металлической детали.
Рассматриваемая разработка представляет собой импортозамещенный комплексный датчик, который может быть использован не только для кругломеров, но и при тщательной фильтрации – для измерения контура и шероховатости [3].
В процессе проведения исследования было выявлено, что триплексный щуп должен иметь ряд высокопроизводительных фильтров для аппроксимации сигнала и для борьбы с алиасингом. В работах [4–6] отмечена зависимость между емкостью и расстоянием наблюдаемого объекта, представленная на рис. 5. Анализируя этот график, можно также сделать вывод, что есть некоторый выход датчика на режим (стабилизацию, происходящую из-за сопротивления датчика шумам), сопровождающийся резким увеличением емкости в момент минимального расстояния между наблюдаемым объектом и второй пластиной конденсатора (вторая пластина конденсатора – исследуемый объект). Точки координат на графике Сm и dm являются точкой экстремума функции, при возрастании координат начинается экспоненциальный подъем графика и плавный переход в ровную линию, что свидетельствует о некотором расстоянии, при котором датчик уже перестает улавливать приближение объекта.
Однако при создании прибора для анализа биения (к примеру, для создания датчика для кругломера или контурографа отечественного производства) не стоит задача максимально удалять датчик от объекта измерения, так как расстояния от нулевой координаты до точки Сm и dm вполне достаточно. При этом, как отмечают авторы [7, 8], участок от 0 до dm – «короткодействующий» (в изготовленном макете – около 1 мм), а участок от dm
до бесконечности – «дальнодействующий» – с 1 м и более. Возрастание емкости при увеличении расстояния между пластинами (обьектом и щупом) также доказано в трудах [7, 8], в которых рассматривается вопрос разработки датчика индуктивности с характеристиками, представленными на рис. 6.
Проблема использования вихретоковых датчиков исследовалась с институте проблем управления сложными системами ИПУСС РАН. Так, в источнике [9] рассматривается график зависимости радиального зазора от промежутка между лопатками турбины (рис. 7).
При этом в работе [9] подчеркивается мультисенсорность установки – она не только измеряет отклонения лопатки от заданного значения при вращении, но и может измерять температуру.
Следующее исследование [10] также интересно, так как анализируется эксперимент, аналогичный нашему.
В данном случае описывается зависимость напряжения от зазора на вихретоковом датчике (рис. 8) с определенной схемой фильтрации и уменьшения погрешностей (для создания данного графика использован стандартный микрометр, постепенно подвигающийся к вихретоковому датчику и вольтметр В7-26 для снятия значений с датчика).
Для исключения влияния марки материала, а также погрешности от замены компонентов вихредатчиковых систем (ВДС) и погрешности, вносимой дополнительными переходниками в соединительном кабеле, был разработан драйвер D200A с новыми «интеллектуальными» возможностями, а именно с функцией автоматической калибровки [11]. Современные типы интеллектуальных вихретоковых систем показаны в статье [12] и в табл. 1.
Зависимости зазора от выходного напряжения в интеллектуальной вихретоковой системе приведены на рис. 9.
* * *
В течение сравнительно продолжительного времени процесс измерения дефектов формы сводился только к контактному методу, однако, с появлением первых бесконтактных измерительных систем возможность процесса измерения дефектов формы значительно расширилась. Одними из первых приборостроителей, которые создали данные приборы для контроля партии колец подшипников, были сотрудники Физического института Академии наук О.А.Заякина [2] и В.Н. Белопухов, их разработки стали новаторскими в деле бесконтактного контроля дорожек качения подшипников и позволили разработать и внедрить линейку приборов для контроля качества тел вращения.
Современные производственные компании классически считают более применимыми контактные средства измерения, однако многие эксплуатирующие организации высказываются против из-за истирания щупа при трении металла о металл и очень долгой калибровки, влияния вибрации, влажности и других неблагоприятных факторов, ухудшающих состояние металлических щупов. Кроме того, кругломеры контактного типа имеют ограничение – они не могут быть использованы для тяжелых и габаритных валов. Подобные детали невозможно переместить в лабораторию и установить на стол кругломера.
ЛИТЕРАТУРА
Гущина Е. А., Епифанцев К. В., Ефремов Н. Ю. Цифровая метрология: учеб.-метод. пособие.
СПб: ГУАП, 2022. 104 с.
Заякин О.А., Манухин А.В., Ростов А.А. Экспериментальный лазерный кругломер, исследование основной погрешности // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2017. Т. 19. № 6. С. 184–188.
Епифанцев К. В., Петров Г. А., Белопухов В. Н., Заякин О. А. Исследование возможности
применения одновиткового вихретокового датчика для измерения дефектов формы // Инновационное приборостроение. 2024. Т. 3, № 1. С. 63–76.
DOI: 10.31799/2949-0693-2024-1-63-76.
Кулманаков Д.С., Пщелко Н.С., Костовский И.П. Многофункциональный емкостной датчик //
Наука настоящего и будущего. 2020. Т. 1. С. 122–125.
Пщелко Н.С., Соколова И.М., Чигирев Д.А. Бесконтактный многофункциональный датчик
на основе планарного конденсатора // Техника радиосвязи. 2021. № 3 (50). С. 71–82.
Пщелко Н.С. Многофункциональный датчик на основе планарного конденсатора для дистанционного зондирования. В кн.: Радиофизика, фотоника и исследование свойств вещества. Тезисы докладов I Российской научной конференции. Омск, 2020. С. 95-96.
Акчурин Т.Р., Пщелко Н.С., Водкайло Е.Г. Программа для контроля параметров емкостных структур методом вольт-фарадных характеристик. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2016610272, 11.01.2016. Заявка № 2015660773 от 10.11.2015.
Novak J.L., Feddema I.T. A capacitance-based proximity sensor for whole arm obstacle avoidance // Proceedings 1992 IEEE International Conference on Robotics and Automation. IEEE, 1992. PP. 1307–1314. Schlegl T. et al. Combined capacitive and ultrasonic distance measurement for automotive applications. IEEE sensors journal. 2011. V. 11. No. 11. PP. 2636–2642.
Боровик С.Ю., Коршиков И.Г., Подлипнов П.Е., Секисов Ю.Н., Скобелев О.П. Способ измерения радиальных зазоров между торцами рабочих лопаток и статором турбомашины и определения температуры рабочей среды в проточной части. Патент на изобретение RU 2674079 C1, 04.12.2018. Заявка № 2017121947 от 21.06.2017.
Маркелов М.К., Чураков П.П. Устройство с вихретоковым преобразователем для контроля параметров вибрации // Измерительная техника. 2013. № 12. С. 40–43.
Клюшев А.В. Заявка на изобретение 2006120749/28 (022543) от 15.06.06. Способ вихретокового контроля
Кирпичев А., Клюшев А., Грошков Е. Интеллектуальные вихретоковые датчиковые системы // Компоненты и технологии. 2009. № 1 (90). С. 22–24.
К. Епифанцев, к. т. н.
Рассматривается вопрос применения триплексного (мультисенсорного) датчика емкостно-оптически-вихретокового типа, имеющего предварительную систему преобразования. Датчик был использован как альтернатива контактного щупа при измерениях на кругломере RoundTest RA-120P.
В настоящее время настройка кругломера [1] с контактным щупом сопровождается дополнительными сложностями в связи с длительной операцией выравнивания стола и осей, а также возможностью повреждения контактного щупа из-за необработанной детали, о которую он истирается. Подобранные характеристики триплексного датчика позволили использовать его вместо контактного щупа при измерении дефектов формы детали (круглости, цилиндричности, концентричности, биения) для разных материалов.
Применение датчика для бесконтактного измерения разных материалов – это его преимущество. Процесс измерения дефектов формы производится с помощью кругломеров, в основе которых лежит воздушный подшипник вращения, работающий от компрессора и вращающий координатный стол и контактный щуп, производящий сканирование детали в определенных сечениях для выявления дефектов геометрии.
Современные технологии создания высокоскоростных движителей стремятся минимизировать вибрационные нагрузки при вращении двигателя для увеличения КПД установки и увеличения срока службы подшипников и кинематических пар.
Именно поэтому развитие приборов данного класса отечественной разработки является главной задачей отечественного приборостроения. Процесс работы алгоритма программного обеспечения кругломера имеет ряд фильтров, механических компенсаторов, позволяющих достигнуть субмикронной точности при измерениях для определения микродефектов геометрии, которые впоследствии могут приводить к развитию вибрационных нагрузок.
Основная цель работы – создать прототип бесконтактного триплексного датчика для измерения дефектов формы для импортозамещения контактного щупа австрийского производства (рис. 2).
В исследовании [2] представлен лазерный кругломер О.А. Заякина, который был взят в качестве прототипа.
На рис. 3 представлены испытанные в разное время щупы различных типов, соединение которых и было положено в основу триплексного щупа.
Результаты измерения на датчиках, перечисленных на рис. 3, представлены на рис. 4. На осциллографе (рис. 4а) видны скачки осциллограммы, которые были зарегистрированы при микросмещении винта и приближении линзы вихретокового (емкостного) датчика
к металлической детали.
Рассматриваемая разработка представляет собой импортозамещенный комплексный датчик, который может быть использован не только для кругломеров, но и при тщательной фильтрации – для измерения контура и шероховатости [3].
В процессе проведения исследования было выявлено, что триплексный щуп должен иметь ряд высокопроизводительных фильтров для аппроксимации сигнала и для борьбы с алиасингом. В работах [4–6] отмечена зависимость между емкостью и расстоянием наблюдаемого объекта, представленная на рис. 5. Анализируя этот график, можно также сделать вывод, что есть некоторый выход датчика на режим (стабилизацию, происходящую из-за сопротивления датчика шумам), сопровождающийся резким увеличением емкости в момент минимального расстояния между наблюдаемым объектом и второй пластиной конденсатора (вторая пластина конденсатора – исследуемый объект). Точки координат на графике Сm и dm являются точкой экстремума функции, при возрастании координат начинается экспоненциальный подъем графика и плавный переход в ровную линию, что свидетельствует о некотором расстоянии, при котором датчик уже перестает улавливать приближение объекта.
Однако при создании прибора для анализа биения (к примеру, для создания датчика для кругломера или контурографа отечественного производства) не стоит задача максимально удалять датчик от объекта измерения, так как расстояния от нулевой координаты до точки Сm и dm вполне достаточно. При этом, как отмечают авторы [7, 8], участок от 0 до dm – «короткодействующий» (в изготовленном макете – около 1 мм), а участок от dm
до бесконечности – «дальнодействующий» – с 1 м и более. Возрастание емкости при увеличении расстояния между пластинами (обьектом и щупом) также доказано в трудах [7, 8], в которых рассматривается вопрос разработки датчика индуктивности с характеристиками, представленными на рис. 6.
Проблема использования вихретоковых датчиков исследовалась с институте проблем управления сложными системами ИПУСС РАН. Так, в источнике [9] рассматривается график зависимости радиального зазора от промежутка между лопатками турбины (рис. 7).
При этом в работе [9] подчеркивается мультисенсорность установки – она не только измеряет отклонения лопатки от заданного значения при вращении, но и может измерять температуру.
Следующее исследование [10] также интересно, так как анализируется эксперимент, аналогичный нашему.
В данном случае описывается зависимость напряжения от зазора на вихретоковом датчике (рис. 8) с определенной схемой фильтрации и уменьшения погрешностей (для создания данного графика использован стандартный микрометр, постепенно подвигающийся к вихретоковому датчику и вольтметр В7-26 для снятия значений с датчика).
Для исключения влияния марки материала, а также погрешности от замены компонентов вихредатчиковых систем (ВДС) и погрешности, вносимой дополнительными переходниками в соединительном кабеле, был разработан драйвер D200A с новыми «интеллектуальными» возможностями, а именно с функцией автоматической калибровки [11]. Современные типы интеллектуальных вихретоковых систем показаны в статье [12] и в табл. 1.
Зависимости зазора от выходного напряжения в интеллектуальной вихретоковой системе приведены на рис. 9.
* * *
В течение сравнительно продолжительного времени процесс измерения дефектов формы сводился только к контактному методу, однако, с появлением первых бесконтактных измерительных систем возможность процесса измерения дефектов формы значительно расширилась. Одними из первых приборостроителей, которые создали данные приборы для контроля партии колец подшипников, были сотрудники Физического института Академии наук О.А.Заякина [2] и В.Н. Белопухов, их разработки стали новаторскими в деле бесконтактного контроля дорожек качения подшипников и позволили разработать и внедрить линейку приборов для контроля качества тел вращения.
Современные производственные компании классически считают более применимыми контактные средства измерения, однако многие эксплуатирующие организации высказываются против из-за истирания щупа при трении металла о металл и очень долгой калибровки, влияния вибрации, влажности и других неблагоприятных факторов, ухудшающих состояние металлических щупов. Кроме того, кругломеры контактного типа имеют ограничение – они не могут быть использованы для тяжелых и габаритных валов. Подобные детали невозможно переместить в лабораторию и установить на стол кругломера.
ЛИТЕРАТУРА
Гущина Е. А., Епифанцев К. В., Ефремов Н. Ю. Цифровая метрология: учеб.-метод. пособие.
СПб: ГУАП, 2022. 104 с.
Заякин О.А., Манухин А.В., Ростов А.А. Экспериментальный лазерный кругломер, исследование основной погрешности // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2017. Т. 19. № 6. С. 184–188.
Епифанцев К. В., Петров Г. А., Белопухов В. Н., Заякин О. А. Исследование возможности
применения одновиткового вихретокового датчика для измерения дефектов формы // Инновационное приборостроение. 2024. Т. 3, № 1. С. 63–76.
DOI: 10.31799/2949-0693-2024-1-63-76.
Кулманаков Д.С., Пщелко Н.С., Костовский И.П. Многофункциональный емкостной датчик //
Наука настоящего и будущего. 2020. Т. 1. С. 122–125.
Пщелко Н.С., Соколова И.М., Чигирев Д.А. Бесконтактный многофункциональный датчик
на основе планарного конденсатора // Техника радиосвязи. 2021. № 3 (50). С. 71–82.
Пщелко Н.С. Многофункциональный датчик на основе планарного конденсатора для дистанционного зондирования. В кн.: Радиофизика, фотоника и исследование свойств вещества. Тезисы докладов I Российской научной конференции. Омск, 2020. С. 95-96.
Акчурин Т.Р., Пщелко Н.С., Водкайло Е.Г. Программа для контроля параметров емкостных структур методом вольт-фарадных характеристик. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2016610272, 11.01.2016. Заявка № 2015660773 от 10.11.2015.
Novak J.L., Feddema I.T. A capacitance-based proximity sensor for whole arm obstacle avoidance // Proceedings 1992 IEEE International Conference on Robotics and Automation. IEEE, 1992. PP. 1307–1314. Schlegl T. et al. Combined capacitive and ultrasonic distance measurement for automotive applications. IEEE sensors journal. 2011. V. 11. No. 11. PP. 2636–2642.
Боровик С.Ю., Коршиков И.Г., Подлипнов П.Е., Секисов Ю.Н., Скобелев О.П. Способ измерения радиальных зазоров между торцами рабочих лопаток и статором турбомашины и определения температуры рабочей среды в проточной части. Патент на изобретение RU 2674079 C1, 04.12.2018. Заявка № 2017121947 от 21.06.2017.
Маркелов М.К., Чураков П.П. Устройство с вихретоковым преобразователем для контроля параметров вибрации // Измерительная техника. 2013. № 12. С. 40–43.
Клюшев А.В. Заявка на изобретение 2006120749/28 (022543) от 15.06.06. Способ вихретокового контроля
Кирпичев А., Клюшев А., Грошков Е. Интеллектуальные вихретоковые датчиковые системы // Компоненты и технологии. 2009. № 1 (90). С. 22–24.
Отзывы читателей
