ПРОБЛЕМЫ НАДЕЖНОСТИ И РЕСУРСА в МАШИНОСТРОЕНИИ

НЕРАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

В. В. Клюев

Повышение качества изготовления и эксплуатации машин в большой степени зависит от создания и внедрения средств технического диагности­рования. Проверка исправности, правильности функционирования, поиска дефектов и оценка технического состояния машин требует измерения ~ 400 параметров качества, представляющих собой свойства объектов, обусловливающих их соответствие предъявляемым требованиям. Известны группы диагностических параметров и признаков, характеризующих техни­ческие, эксплуатационные, физические, механические и другие свойства объектов. Техническое диагностирование осуществляется посредством измерения количественных значений параметров качества, которые, в свою очередь, зависят от влияющих на них факторов: механических нагру­зок и климатических воздействий, биологических и специальных сред, а также ионизирующих и электромагнитных излучений. Общее число влия­ющих факторов превосходит несколько десятков. Они также подвергают­ся измерениям при техническом диагностировании машин.

Количество диагностических параметров растет при усложнении и удоро­жании объекта. Число измерительных каналов на энергоблоках атомных электростанций при испытаниях газотурбинных двигателей и других сложных объектов превышает уже десятки тысяч. Неуклонно увеличи­вается номенклатура контрольно-испытательных приборов, достигающая в промышленно развитых странах нескольких тысяч наименований [1].

Важнейшее значение приобретают средства диагностирования при пере­ходе на эксплуатацию машин по состоянию. Машины следующего поколе­ния должны быть в значительно большей степени оснащены средствами технического диагностирования, которые, в свою очередь, будут создавать­ся на новом техническом уровне применительно к конкретным машинам на всех этапах их создания, эксплуатации и хранения.

Развитие средств диагностирования идет по пути многофункциональ­ности и роботизации операций измерения, осуществляемых как во время функционирования объекта (функциональное диагностирование), так при подаче специальных тестовых воздействий (тестовое диагностирова­ние). Состав и порядок проведения проверки технического состояния объекта определяются алгоритмом технического диагностирования. Одной из важнейших задач для систем диагностирования является получение максимального объема информации в новом измерительном канале. В этом направлении сделано еще не так много, но оно чрезвычайно перспек­тивно.

Среди многих направлений развития средств технического диагностиро­вания машин можно выделить следующие главные.

Первое — автоматизированные средства диагностирования с анализом сигнала в реальном масштабе времени. Быстродействующие средства виброакустического диагностирования, дефектоскопии, толщинометрии, структуроскопии, акустической эмиссии, магнитных шумов Баркгаузена

и многие другие создаются на основе применения аналоговых и цифровых методов обработки многомерного сигнала. Типичным примером здесь являются анализаторы сигналов с высоким разрешением, амплитудно­фазочастотные дискриминаторы, спецпроцессоры быстрого преобразования Фурье и другие аналогичные устройства.

В координатах амплитуда, частота, время строятся трехмерные изобра­жения магнитных, вибрационных, акустических и электромагнитных полей, изучается пространственное распределение неаддитивных сигналов и т. п. Представляет интерес диагностирование путем измерения ударных процессов, как правило, однозначно характеризующих возникновение дефекта внутри изделия. Метод ударных импульсов позволяет осущест­влять диагностирование подшипников на основе регистрации и смену высокочастотных вибраций, обусловленных ударными процессами. Этот принцип реализован в приборе ИСП-1, который не только указывает на наличие дефекта, но и дает информацию о месте его возникновения. Уста­новлено также, что по форме импульса, возникающего от удара падающего пьезопреобразователя на изделие, можно определять механические свойства поверхностного слоя материала изделия, его упругие и пластические дефор­мации. Можно надеяться, что в будущем подобный метод будет успешно конкурировать с широко распространенными в настоящее время методика­ми контроля твердости изделий на приборах Бринелля, Роквелла и Вик­керса.

Второе важное направление развития средств диагностирования машин связано с применением автоматизированных систем обработки изображе­ния (АСОИЗ). Очевидно, что наибольший объем диагностической инфор­мации на практике можно представить в двух - или трехмерном виде. Тра­диционно и стабильно по этому пути развивается рентгенография, рентге­нотел евидение, тепловидение, эндоскопия, оптическая и ультразвуковая голография, звуковидение, магнитопорошковые, магнитографические, капиллярные методы и средства контроля качества.

Однако только в последнее время стала возможной автоматизация обработки изображений. Появились АСОИЗ ’’Периколор” (Франция), ИБАС (ФРГ), ’’Маджискан 2” (Англия), ДГП 331К-3/4 (СССР) и другие, которые компонуются из микро - или мини ЭВМ, диалоговых полутоновых дисплеев, сканирующих устройств ввода изображения, быстродействую­щих аналого-цифровых преобразователей, спецпроцессоров и других вспо­могательных устройств.

В этих системах видимое изображение преобразуется в электрический сигнал, как правило, с помощью телевизионных камер, сканирующих оптических устройств или дискретных матриц из фотоприемников. Исполь­зуются также варианты ввода в ЭВМ изображения, записанного на внешних носителях (ленты, диски).

Быстродействие АСОИЗ определяется временем преобразования сигнала в аналого-цифровом преобразователе и перераспределением процессов обработки изображения между универсальным процессором используемой ЭВМ и спецпроцессором и в лучшем случае оценивается приближенно единицами секунд.

Актуальны два направления АСОИЗ — коррекция изображения, когда выходной результат улучшает изображение на входе, и распознавание 112 изображения, при котором на выходе дается описание содержания изобра­жения. Дисплейные устройства позволяют измерять уровень яркости участков, изображать гистограммы, измерять дальности, координаты и углы, выводить на изображение координатные сетки и данные условия контроля, регулировать окно кадра, проводить сегментацию изображения, увеличивать масштаб интересующих областей изображения, проводить сжатие данных, выбирать участки с фиксированными контурами, усили­вать, фильтровать и сглаживать изображения, оценивать их спектры, вычис­лять площади, объемы, интерполировать, экстраполировать и синтезиро­вать изображения и т. д.

Широкие возможности АСОИЗ дали новый качественный уровень сред­ствам диагностирования. В качестве примера можно указать на разрабо­танный НИИИН АСОИЗ на базе микроЭВМ ”Электроника-60” с телеви­зионным вводом изображения. В системе реализован быстрый ввод изобра­жения в ЭВМ в темпе телевизионной развертки за один кадр с последующей обработкой на универсальном процессоре. В другой АСОИЗ с мини-ЭВМ используется медленный ввод изображения по столбцам за 256 телевизион­ных кадров с последующей быстрой обработкой аналоговыми средствами и универсальным процессором ЭВМ СМ-3.

В обеих системах имеется оптико-проекционное устройство, которое позволяет позиционировать ’’зону интереса” и считывать ее в различных масштабах. Многофункциональные быстродействующие диагностические комплексы, ориентированные на АСОИЗ, должны строиться на адекват­ном представлении используемых проникающих и отраженных физических полей и излучений, а также на эффективных алгоритмах преобразования и обработки информации. Основные трудности, которые предстоит прео­долеть — это большой объем обрабатываемой информации (до нескольких десятков мегабит на одно изображение), двумерность массивов и вектор­ный характер данных.

Цифровая обработка двумерных изображений сейчас вводится почти во все основные отечественные диагностические системы — рентгенотеле­визионные интроскопы, тепловизоры, звуковизоры, телевизионные проек­торы, эндоскопы.

Третьим направлением развития средств диагностирования, бурно разви­вающимся за последние годы, является вычислительная томография.

Рентгеновские вычислительные томографы (ВТ) были впервые разрабо­таны для медицинской диагностики в 1971 г., и сейчас их насчитывается более 40 типов четырех поколений. Принцип работы ВТ основан на просве­чивании сфокусированным рентгеновским пучком исследуемого слоя при его различных ориентациях, измерении линейного коэффициента ослабления (ЛКО) примерно в 100 ООО направлениях по одному сечению и реконструкции изображения по массиву измеренных данных Л КО. Прин­ципиальное преимущество ВТ — возможность получения изображения сечения объекта по всей глубине, а также увеличение почти в 100 раз де­фектоскопической чувствительности по плотности.

Основные блоки ВТ - источник излучения, узел детекторов, механи­ческое сканерное устройство, мини-ЭВМ, полутоновые дисплеи и спецпро­цессоры обработки и восстановления изображения. Лучшие образцы меди­цинских ВТ имеют быстродействие 1 с, разрешение по пространству 0,5 мм

8. Зак. 2 113

и разрешение по плотности 0,3 %. Значительно более широкие возможности получают ВТ при диагностировании машин, где снимаются принципиальные ограничения по уровню дозных нагрузок для источников излучения, значи­тельно упрощаются сканирующие устройства, позволяющие передвигать и вращать объект контроля в любых направлениях относительно неподвиж­ных источников излучения и матрицы детекторов.

Общая задача вычислительного процесса, осуществляемого ЭВМ после преобразования аналоговых сигналов в цифровые, заключается в восста­новлении (синтезе) двумерного полутонового изображения по совокуп­ности проекций. Математически эта задача сводится к расчету значений JIKO во всех элементарных ячейках сечения объекта.

Вычислительные томографы могут применяться для технического диаг­ностирования изделий практически любой конфигурации. Высокоэнерге­тические источники, линейные ускорители, изотопы и микротроны создают возможность контролировать качество крупногабаритных изделий с высо­кой дефектоскопической чувствительностью, приближающейся по уровню к чувствительности металлографического анализа. Принцип цифровой реконструкции изображения по проекциям будет несомненно использован и для других физических методов диагностирования. Уже известны ультра­звуковые ядерно-магниторезонансные, электрические ВТ, которые в буду­щем смогут сыграть важную роль в диагностике машин.

При использовании ультразвука и электромагнитного излучения опти­ческого, инфракрасного и радиоволнового диапазона для реконструкции изображений необходимо решение обратных задач с интегралами не вдоль прямолинейных траекторий, а вдоль криволинейных, что значительно усложняет процессы вычислений, но устраняет необходимость применения для диагностирования опасных для человека радиационных излучений и соответствующей защиты от них. В будущем ожидается переход к типовым модульным сканерным системам, более широкому использованию спец­процессоров и замене мини - на микроЭВМ, что позволит создать транспор­табельные и переносные ВТ, построенные на различных физических прин­ципах для разных условий эксплуатации машин.

Широкий спектр имеющихся средств технического диагностирования, от простейших термопар и манометров до сложнейших ЯМР-томографов, позволяет уже сегодня решать многие проблемы повышения качества изго­товления, эксплуатации и хранения изделий машиностроения.

Массовое производство промышленных роботов и манипуляторов в нашей стране позволило создать широкую гамму роботизированных технологических комплексов неразрушающего контроля (РТК НК). Это четвертое важное направление современной технической диагностики. В основу идеологии создания РТК НК положена совокупность серийно выпускаемых приборов неразрушающего контроля, промышленных робо­тов, выполняющих функции перемещения датчика прибора относительно объекта контроля и разбраковки изделий, а также специализированных устройств связи прибора, робота и объекта контроля между собой. В НИИинтроскопии в настоящее время создано более 20 типов РТК НК, использующих все основные физические методы неразрушающего контро­ля. Следует отметить, что все РТК НК имеют выход на микроЭВМ и могут управляться по определенным программам контроля (пуск, останов, 114 сортировка, перемещение в горизонтальной и вертикальной плоскостях, поворот, позицирование и т. д.), без чего невозможно создание гибких автоматизированных производств.

Два РТК НК качества термообработки ферромагнитных изделий демон­стрируют возможности роботизации одной из массовых технологических операций.

В РТК НК использован вихретоковый структуроскоп ВС-10П (ВС-11П), который через измерение электромагнитных характеристик материала (начальная магнитная проницаемость, удельная электрическая проводи­мость) производит разбраковку как по нижней, так и по верхней границе допуска на твердость и на химический состав углеродистой стали поршне­вых пальцев. Разрешающая способность по углероду составляет 0,2%, чувствительность по твердости — 5 единиц HRC. Несмотря на высокие технические характеристики структуроскопа ВС-10П, широкое его исполь­зование в промышленности, в частности для контроля твердости порш­невых пальцев на заводах автотракторной промышленности, сдерживалось из-за нестабильности показаний прибора, связанной с недостаточной точ­ностью установки контролируемой детали относительно оси проходного вихретокового преобразователя и краев магнитопровода измерительной катушки в производственных условиях. Необходимо было также обеспе­чить минимально допустимое время выдержки поршневого пальца в датчи­ке в процессе контроля при максимальной производительности.

РТК НК позволяет полностью устранить субъективные факторы при контроле качества термообработки деталей типа ’’валик” и ’’втулка”, исключает возможность неправильной сортировки изделий. В его состав входит вихретоковый структуроскоп ВС-10П (ВС-11П) с набором проход­ных датчиков для контроля изделий разного диаметра, промышленный робот типа ПМР-0,5-200 КВ, устройства связи прибора с роботом и объек­том контроля. РТК НК представляет собой стационарное технологическое оборудование, где схват робота берет деталь и устанавливает внутри соосно с проходным преобразователем, выдерживает деталь внутри преобразова­теля 2 с и в зависимости от результирующего сигнала прибора передает деталь в карман годных или забракованных деталей.

Для автоматического контроля и разбраковки клапанов поршневых двигателей по качеству термической обработки создан РТК НК на базе коэрцитиметра МФ-31КЦ и промышленного робота ПР5-2П. 13.4.3.

Как известно, прибор МФ-31КЦ измеряет значения размагничивающего тока, пропорциональные коэрцитивной силе, которая коррелирует с меха­ническими свойствами материалов. Прибор осуществляет сравнение размаг­ничивающих токов эталонного образца и испытуемой детали, установлен­ной на датчик, и подает соответствующий сигнал на устройство связи робота с прибором. В зависимости от значения сигнала прибора ’’брак” или ’’годен” схват робота переносит деталь в бункер годной или в бункер непрошедшей по параметрам качества продукции. В функции робота вхо­дит также точное позиционирование детали относительно датчика коэрцити­метра и обеспечение стабильного минимального времени намагничивания и размагничив алия детали.

Основные технические характеристики РТК НК качества клапанов следующие: диапазон измерения тока размагничивания от 0 — 300 м пог­решность измерения 6%; производительность 480 операций/ ч; максималь­ное перемещение контролируемой детали в горизонтальной плоскости 105 мм, в вертикальной — 50 мм; угловое перемещение в горизонтальной плоскости 180°; габариты приборной части РТК НК 350 х 130 х 260 мм, механической части — 1000 х 1000 х 700 мм.

На предприятиях машиностроения повсеместно встречается необходи­мость контроля толщины нанесенных в процессе производства на детали различных видов покрытий — лакокрасочных, гальванических, теплоизо­ляционных и т. д. Как правило, эти контрольные операции проводят с помощью соответствующих приборов вручную и выборочно, привлекая значительный штат контролеров.

Для автоматизированного контроля толщины неэлектропроводящих покрытий, нанесенных на немагнитные металлические детали, создан РТК НК на базе вихретокового толщиномера ВТ-10НЦ и промышленного мини­робота ПР5-2П, 13.4.3. В случае несоблюдения толщины покрытия по верхней или нижней границе поля допуска робот останавливает операцию контроля. Поверхность сканирования определяется максимальным пере­мещением датчика схватом робота в горизонтальной плоскости - 105 мм и углом поворота — до 180°.

Комплекс снабжен винтовым устройством для подачи изделий на пози­цию измерения с приводом от манипулятора и имеет следующие техни­ческие характеристики: диапазон измеряемых толщин покрытия 0—2 мм-, погрешность измерения 5%; производительность 900 операций/ч; габариты механической части 500 х 1000 х 500 мм; давление сжатого воздуха 0,4 МПа.

РТК НК, созданный на базе магнитного толщиномера МТ-41НЦ и про­мышленного мини-робота ПР2-2П.13.4.3 дает возможность производить автоматизированный контроль с разбраковкой изделий по толщине немаг­нитных покрытий, нанесенных на ферромагнитное основание.

Данный комплекс с прибором ВТ-10НЦ может быть использован в гальванических производствах для контроля толщины гальванических и лакокрасочных покрышй на ферромагнитных металлах.

Диапазон измеряемых толщин покрытий 0—2 мм; погрешность 5% максимальное перемещение преобразователя в горизонтальной плоскости 105 мм; в вертикальной — 50 мм; угловое перемещение в горизонтальной плоскости 180°; производительность 900 операций/ч; давление сжатого воздуха 0,4МПа; габариты приборной части 143 х 220 х 340 мм, механи­ческой части — 500 х 1000 х 500 мм; масса приборной части 3,5 кг; меха­нической части - 55 кг.

Для автоматизированного контроля толщины стенки изделий в процес­се производства создан РТК НК на базе ультразвукового толщиномера УТ-55БЭ и промышленного робота ПР5-2. Важным преимуществом этого РТК НК является возможность контроля толщины с одинаковой точностью независимо от состава сплава, свойства которого учитываются с помощью измерения скорости распространения ультразвука в материале объекта контроля.

Диапазон измеряемых толщин 1,5 — 1000 мм; диапазон измеряемых скоростей распространения продольных УЗ колебаний 4000—6500 м/с; рабочая частота 2,5 МГц; погрешность измерения толщин 4% в диапазоне 116 от 1,5 до 5 мм; от 5 до 100 мм — 3%; от 10 до 1000 мм — 2%: производи­тельность 600 операций/ч; максимальное перемещение датчика в горизон­тальной плоскости 100 мм, в вертикальной плоскости — 50 мм; угловое в горизонтальной плоскости — 240°; давление сжатого воздуха 0,4 МПа; габариты механической части 500 х 1000 х 500 мм; общая масса РТК НК не превышает 50 кг, что позволяет его также перемещать относительно крупногабаритных объектов контроля.

Примером дефектоскопических РТК НК могут служить комплексы, предназначенные для автоматического обнаружения поверхностных дефектов типа трещин, волосовин, закатов и других несплошностей на плоских изделиях из ферромагнитных и неферромагнитных материалов.

Необходимо отметить, что дефекты могут быть обнаружены под слоем неэлектропроводящего, в частности лакокрасочного, покрытия толщиной до 1 мм. Это очень существенный факт, поскольку визуально-оптические методы контроля таких дефектов не дают положительного результата.

В состав РТК НК входят вихретоковый дефектоскоп с вращающимися накладными преобразователями типа ВД-20НД, промышленный робот ПР5-2, устройства связи прибора с роботом и объектом.

Наименьшие размеры выявляемых дефектов по протяженности 10 мм, по глубине 04 мм; производительность 1200 операций/ч; диаметр круга установочной площадки преобразователя 30 мм; максимальное переме­щение датчика в горизонтальной плоскости 105 мм, в вертикальной плос­кости — 50 мм, угловое перемещение в пределах 180°, потребляемая мощность не более 250 Вт; давление сжатого воздуха 0,4 МПа; габариты механической части 500 х 1000 х 500 мм; общая масса 60 кг.

При необходимости дефектоскопии плоских объектов больших разме­ров или сложной конфигурации необходимо циклическое или непрерывное перемещение механической части РТК НК по соответствующим направляю­щим и направлениям с помощью дополнительных специализированных приводных устройств.

Во многих случаях целесообразно объединение функций роботизирован­ных систем сканирования РТК НК и широко распространенных в настоящее время разнообразных устройств перемещения объектов в зоне контроля.

Технический уровень и возможности РТК НК в равной степени зависят от уровня используемых приборов неразрушающего контроля и уровня промышленных роботов. В неразрушающем контроле быстро развиваются системы технического зрения (СТЗ) с цифровой обработкой изображения. В последнее время в НИИИН созданы три СТЗ с фотоматричным и види - конными детекторами, включающие в свой состав для обработки изобра­жения микроЭВМ ”Электроника-60”.

СТЗ, установленная на промышленный робот с позиционной системой управления типа ТУР-10, имеющей 5 степеней подвижности, грузоподъем­ность 10 кг и возможность вращения, качения, сгиба и поворота кисти и закрепленного на ней датчика или детали в диапазоне расстояний до 1250 мм, представляет собой новый качественный уровень РТК НК. Подоб­ные контрольно-измерительные роботы могут одновременно выполнять часть функций сборочных и других автоматизированных технологических агрегатов.

РТК НК, в состав которого входят оптическая система ОТ-ЮМФ и промышленный робот ТРУ-10, может быть использован для полной автома­тизации магнитопорошкового, капиллярного, радиографического и опти­ческого методов контроля дефектов, что ранее достичь было крайне затруд­нительно.

СТЗ предназначена для обработки визуальной информации посредством преобразования плоского оптического изображения рабочей сцены в бинар­ную матрицу (цифровые коды). Она осуществляет ввод данных в ЭВМ ”Электроника-60, где в соответствии с программой обработки производит­ся идентификация интересующих объектов, определение их координат, габаритов, ориентации и т. п.

СТЗ используется для контроля наличия изделий на рабочей сцене при линейных скоростях движения объекта в поле зрения датчика до 10 м/с.

Преобразователем является фотодиодная матрица МФ-14Б, в плоскости которой находятся 32 х 32 чувствительных элемента. Матрица включена в режиме накопления и осуществляет преобразование оптического сигнала в электрический аналоговый пропорционально величине светового потока за время накопления. Допускается регулировка интервала времени накоп­ления и чувствительности по условиям освещенности рабочей сцены. Ре­зультат обработки изображения в цифровой форме выдается через выход­ной буфер ЭВМ в систему управления роботом. СТЗ имеет 2 градации яркости, выходной сигнал в виде цифрового шестнадцатиразрядного двоичного кода; время обработки изображения 60 мс, разрешение 2,5 мм.

РТК НК позволяет осуществлять угловые перемещения кисти с фото­диодным датчиком или деталь при вращении в диапазоне 340° при каче­нии ± 45, при сгибе кисти 240° и повороте кисти на ± 90°; габариты при­борной части РТК НК 2000 х 1000 х 1700 мм, манипулятора — 1200 х х 800 х 1600 мм; устройства числового программного управления УПМ - 772 — 800 х 500 х 1600 мм; блока управления электроприводами БУЭ-П — 700 х Й50 х 1650 мм; зона обслуживания по радиусу 1250; мм; по углу — 340°.

Несмотря на большие габариты данного РТК НК, массу и относительную сложность устройства, использование его перспективно, поскольку позво­ляет повысить качество и производительность многих контрольных операций.