Метод виртуального эталонирования настройки автоматизированной системы электромагнитной диагностики стальных изделий с поверхностным упрочнением

Диссертация посвящена применению виртуального эталона для настройки сиситем диагностики изделий машиностроения, что позволит ускорить процесс настройки и повысить точность диагностики.

Для достижения поставленной цели развиты теория образования сигнала датчика, расположенного над многослойной нелинейной ферромагнитной средой, имитационная модель образования сигнала датчика и получения виртуального эталона. А также метод применения виртуального эталона для настройки систем диагностики и нахождения наилучших условий их работы.

Результаты апробированы при расчете виртуальных образцов для определения оптимальных условий контроля изделий, что было применено в приборе для неразрушающего контроля качества, внедренном на заводе «Квант». По результатам работы получен патент на изобретение.

Показано, что применение виртуального эталона позволяет существенно ускорить процесс настройки приборов неразрушающего контроля, а также найти оптимальные условия контроля для повышения его точности.

Актуальность темы

.

Современное промышленное производство вне зависимости от его серийности характеризуется быстрой и регулярной модификацией изделий. Например (по зарубежным данным) в автомобильной промышленности принципиальное обновление модельного ряда происходит раз в три года. При этом в течение этого временного интервала ведется непрерывное совершенствование продукции.

В результате технологические процессы на производстве претерпевают постоянные изменения. Даже если форма и размеры изделия остаются неизменными, изменяется материал, его физико-механические характеристики, способы и режимы обработки. То есть речь идет о гибком автоматизированном производстве (ГАП), изменяющем свои параметры и конфигурацию в процессе работы. Естественно, что в таких условиях должен производиться 100%-ный контроль качества продукции.

Введение

обратной связи — управления технологическим процессом по качеству продукции — дает следующие преимущества:

1. 100%-ный контроль качества;

2. Ускорение переналадки технологического процесса, особенно при применении новых методов обработки изделий;

3. Варьирование и обеспечение оптимальности технологического процесса при вариации входных параметров (например, при вариации химического состава материала и, следовательно, его физико-механических свойств, в случае использования вторично переработанных ресурсов в качестве сырья).

4. Подналадка технологического процесса при непрерывном изменении параметров оборудования (рис. 1).

Рис. 1. Структурная схема автоматизированного производственного участка с обратной связью по качеству изделия.

В ряде случаев один производственный участок может снабжаться несколькими устройствами неразрушающего контроля, например, для разделения различных классов брака (рис. 2).

Годные Брак 1 Брак 2 Брак 3.

Рис. 2. Структурная схема автоматической разбраковки изделий по классам брака.

Очевидно, что при переналадке технологического процесса должна происходить и перенастройка системы контроля качества (рис.3), поэтому процесс перенастройки системы контроля качества должен проходить также быстро, как и процесс перенастройки производящего оборудования.

Во многих случаях важные детали машин и механизмов, испытывающие значительные нагрузки, изготавливаются из сталей, упрочняемых различными технологическими операциями: поверхностная закалка и отпуск токами высокой частоты (ТВЧ), химико-термическое диффузионное упрочнение, плазменно-диффузионное покрытие, лазерная термическая обработка, упрочнение наклепом, нанообработка и др. Все эти методы приводят к структурно-фазовому изменению состояния стали на поверхности и её упрочнению. Тонкий упрочненный поверхностный слой многократно повышает прочность и долговечность стальных изделий. Однако отклонение его параметров от оптимальных приводит к ухудшению характеристик изделия. Именно поэтому необходимо контролировать структуру и толщину упрочненного слоя.

Весьма эффективными являются электромагнитные (токовихревые) методы неразрушающего контроля, так как они обладают высоким быстродействием, достаточной точностью, бесконтактны и позволяют получить информацию не только о свойствах поверхности изделия, но и о распределении физико-механических свойств изделия по 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.

Рис. 3. Структурная схема гибкого автоматизированного производства и контроля качества.

К сожалению, применяемые до сегодняшнего дня методы настройки приборов электромагнитного неразрушающего контроля с трудом поддаются автоматизации, так как связаны с изготовлением и экспериментальным исследованием настроечных эталонных образцов с известными (а зачастую и наперед заданными) свойствами. Изготовление необходимого количества образцов и исследование их физико-механических и электромагнитных свойств требует значительных затрат времени, что делает невозможной быструю переналадку системы контроля на новую задачу. Поэтому подобные глубокие исследования выполняются только для крупносерийного производства, а в остальных случаях используется упрощенная настройка, приводящая к значительному снижению точности контроля и не позволяющая надежно контролировать такие параметры изделий, как, например, толщина упрочненного слоя.

Кроме того, необходимо обеспечить автоматизацию самого процесса измерений, например, поддерживать требуемую величину зазора между датчиком и изделием сложного профиля при помощи автоматической следящей системы (рис. 4). А для этого требуется от того же устройства электромагнитного неразрушающего контроля с высокой точностью получать информацию не только о величине контролируемого параметра, но и о текущем зазоре.

Контролируемое изделие.

Рис. 4. Схема автоматического поддержания неизменной величины зазора датчик-изделие.

Автоматизировать процесс настройки системы диагностики позволит применение в процессе настройки виртуального эталона — совокупности модели датчика, модели изделия с учетом распределения его свойств по толщине при поверхностном упрочнении, математической модели образования сигнала датчика и имитационной компьютерной модели, вычисляющей коэффициенты настройки диагностического оборудования. Виртуальный эталон позволяет моделировать сигналы датчика на виртуальных образцах с заданными свойствами методом компьютерного эксперимента, что позволит значительно ускорить и автоматизировать 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.

Научная новизна.

В диссертации впервые в научной практике разработаны уравнения сигнала датчика для комбинационных колебаний, несущих информацию о структуре упрочненного поверхностного слоя стального изделия. Использование этих уравнений позволило создать имитационную модель процесса неразрушающего контроля и определило новизну всех основных результатов диссертации. В частности впервые:

1. Выведены 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 основных колебаний для двухслойной модели изделия, описывающей только однородные упрочненный слой и неупроч-ненную основу, многослойная модель более достоверно описывают фактическое изменение свойств по толщине изделия при переходе от упрочненного слоя к неупрочненному.

2. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден 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.

3. На основе полученных математических моделей основных и комбинационных колебаний разработана обобщенная имитационная модель настройки приборов неразрушающего контроля, позволяющая автоматизировать процесс настройки, а также определить наилучшие условия контроля с целью повысить его точность.

4. Предложен 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.

Практическая ценность.

Рассмотренные в диссертации математическая и имитационные модели, составляющие виртуальный эталон, позволят избежать весьма трудоемкого изготовления и исследования большого количества настроечных образцов, заменяя реальные измерения компьютерным моделированием. В некоторых случаях проводить соответствующие экспериментальные исследования вообще невозможно, ввиду невозможности изготовить образцы изделия с заранее заданными значениями определенных параметров (например, вариаций составляющих спектра комплексной магнитной проницаемости стали). Имитационное моделирование с использованием виртуального эталона позволяет проводить также и подобные исследования.

Практически значимыми результатами диссертации являются:

1.

Введение

в практику неразрушающего контроля комбинационных колебаний существенно повышает его точность.

2. Использование имитационной модели позволяет проводить прикладные исследования в области влияния физико-механических и технологических факторов на результативность неразрушающего контроля.

3. Применение методов настройки систем для неразрушающего контроля качества упрочнения стальных изделий, базирующихся на методе виртуального эталона, дает возможность широко внедрять эти системы контроля в гибкие автоматизированные производства.

4. Получен патент на электромагнитное устройство для многопарамет-рового контроля ферромагнитных изделий, использующее результаты, приведенные в диссертации.

5. Результаты работы были положены в основу прибора для неразрушающего контроля качества наклепа лонжеронов вертолетного винта, внедренном на ОАО «Росвертол».

6. Создана программа для персонального компьютера, реализующая имитационную модель и позволяющая проводить исследования в виде компьютерного эксперимента. В частности с ее помощью определены оптимальные условия для неразрушающего контроля изделий, приведенные в работе.

Практическая значимость работы подтверждается тем, что часть работы выполнялась по гранту фундаментальных исследований в области энергетики и электротехники.

Общей целью настоящей работы является сокращение длительности процесса настройки приборов неразрушающего контроля и повышение их точности. Для достижения поставленных целей предлагается создание трех математических моделей. Первая модель — модель электромагнитного накладного датчика. Вторая модель — модель стального изделия с учетом распределения его свойств по толщине при поверхностном упрочнении. Третья модель — математическая модель образования сигнала датчика многопа-раметрового электромагнитного (токовихревого) контроля с многочастотным формированием сигнала. 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:

1. Создать математическую модель образования сигнала электромагнитного датчика, учитывающую основные физические явления, определяющие этот сигнал.

2. 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.

3. Для идентификации модели экспериментально измерить зависимость электромагнитных параметров стальных изделий от факторов технологической обработки при поверхностном упрочнении.

4. Разработать имитационную модель процесса электромагнитного не-разрушающего контроля качества поверхностного упрочнения.

5. Разработать методику применения разработанной имитационной модели для настройки приборов неразрушающего контроля.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. Создание математической модели образования сигнала датчика для основных колебаний.

2. Создание математической модели образования сигнала датчика для комбинационных колебаний.

3. Создание имитационной модели процесса электромагнитного неразрушающего контроля.

4. Применение имитационной модели для разработки методов повышения точности неразрушающего контроля.

5. Разработка программного обеспечения (ПО), реализующего имитационную модель и позволяющего проводить вычислительные эксперименты.

Личный вклад автора в диссертационную работу.

Лично автором разработаны уравнения датчика для основных и комбинационных колебанийразработаны математическая и имитационная модели образования сигнала в датчикенаписана программа, реализующая имитационную модельпроизведена имитация «виртуальных» образцов и настройка устройства контроля по «виртуальным» образцамвыполнены измерения АФЧХ сигналов датчика на образцах реальных изделий для подстройки имитационной модели под параметры реальных изделийна имитационной модели исследованы условия повышения ее точности. Также автор принимал участие в разработке, настройке, внедрении и опытной эксплуатации устройства неразрушающего контроля качества изделий на заводе «Росвертол».

Использование ЭВМ.

Имитационная модель реализована в виде программы для ЭВМ и позволяет имитировать сигналы датчика на образцах изделий (создание «виртуальных» образцов), настраивать по этим образцам устройство неразрушающего контроля (построение регрессионной модели), определять погрешность контроля, а также настраивать устройство неразрушающего контроля по реальным образцам изделий. Также программа имитационного моделирования позволяет определять оптимальные условия неразрушающего контроля. Значительная часть работы (кроме исследования реальных образцов изделий) производилась в виде компьютерного эксперимента.

1. 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 «Системный анализ, управление и обработка информации» — Дивноморск, 2011.

2. Результаты диссертации были положены в основу прибора для нераз-рушающего контроля качества упрочнения изделий, внедренном на ОАО «Росвертол».

3. По результатам работы получен патент на изобретение.

Структура диссертации.

Работа состоит из введения, четырех глав, ваключения, изложена на 150 страницах машинописного текста, включая 55 рисунков, 7 таблиц и библиографию из 95 наименований.

Во ВВЕДЕНИИ показаны актуальность и новизна темы диссертации, сформулированы основная цель и научные задачи исследования, обоснованы выбор объектов исследования, научная и практическая ценность полученных результатов, охарактеризован личный вклад автора в диссертационную работу. Сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

В ПЕРВОЙ сделан обзор истории развития и современного состояния электромагнитного контроля и вопросам автоматизации измерений. Основное внимание уделяется повышению точности контроля качества упрочнения изделий машиностроения. Характеризуется сложившаяся ситуация, конкретизируются задачи исследования.

Во ВТОРОЙ главе приводятся математические модели, составляющие математическую основу виртуального эталона: модель электромагнитного датчика, модель многослойного изделия, а также модели образования сигналов датчика для основных и комбинационных колебаний.

Во ТРЕТЬЕЙ главе приведены результаты экспериментальных исследований электромагнитных и физико-механических свойств образцов и измерения АФЧХ сигналов датчика на образцах изделий. Результаты этих исследований использованы для актуализации модели, составляющей виртуальный эталон.

В ЧЕТВЕРТОЙ главе описана имитационная составляющая виртуального эталона (рис.7), а также его применение для настройки устройств нераз-рушающего контроля и метода оценки ошибки контроля. Основываясь на величине этой ошибки, предлагаются способы оптимизации модели по точности и затрачиваемым вычислительным ресурсам, а также для улучшения условий контроля с целью повышения его точности.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ дана сводка основных результатов и выводов, полученных в диссертации.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 18 работ [26, 27, 38, 48, 49, 52−54, 62, 63, 65, 67, 69, 71, 72, 93, 94, 95] и получен патент на изобретение [36].

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ГЛАВЫ 2.

Влияние толщины упрочненного слоя на основные гармоники обусловлено двумя процессами: отражением основных волн на границе между упрочненным слоем и основным металлом и затуханием волны в упрочненном слое. В результате упрочнения образуется слой с такими электромагнитными свойствами, которые дают слабое отражение на границе раздела слоев. Поэтому влияние толщины упрочненного слоя в основных гармониках слабо.

Комбинационные колебания возникают в магнитомягкой части основного металла даже в отсутствии отражения, и их сигнал однозначно связан с толщиной упрочненного слоя из-за затухания этих волн в упрочненном слое.

Несмотря на то, что комбинационные колебания сильнее основных подвержены мешающему влиянию зазора между датчиком и контролируемым изделием, они ещё большему влиянию, по сравнению с основными колебаниями, подвержены со стороны наиболее востребованного на практике контролируемого фактора — толщины упрочненного слоя. Поэтому отношение полезного сигнала к помехе в них выше, чем в основных гармониках. Использование комбинационных колебаний компонентой многомерного сигнала повышает точность неразрушающего контроля толщины упрочненного слоя.

Создание математической модели и программы ЭВМ для расчета основных и комбинационных колебаний сигналов электромагнитных преобразователей позволяет использовать их в имитационной модели виртуального эталона.

ГЛАВА 3.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ НАСТРОЙКИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ И ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛЕЙ.

ЗЛ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ПО ТОЛЩИНЕ.

ОБРАЗЦОВ ИЗДЕЛИЙ.

Любая поверхностная обработка материала подразумевает некоторое изменение его свойств в поверхностном слое определенной толщины по отношению ко всему оставшемуся объему основного материала. Однако резкой границы перехода от упрочненного слоя к неупрочненной основе не существует. Также свойства самого упрочненного слоя могут изменяться по глубине, т.к. любая поверхностная обработка действует с поверхности изделия вглубь.

С целью изучения распределения электромагнитных и физико-механических свойств по толщине поверхностно упрочненного изделия были проведены следующие исследования.

Измерения распределения электромагнитных свойств наклепанных образцов из стали 40ХНМА по глубине, а также толщины упрочненного слоя производились при послойном стравливании участка наклепанного образца изделия с последующим измерением ЭДС электромагнитного преобразователя на образце. Поскольку и электромагнитные и физико-механические свойства изделия определяются его структурой, то можно считать, что изменяющимся по толщине образца электромагнитным свойствам соответствует упрочненный слой, физико-механические свойства которого изменяются.

При достижении неупрочненной основы, изменение электромагнитных свойств изделия, также как и физико-механических прекращается.

Исследуемый образец (рис. 3.1) представлял отрезок эллиптичесокй трубы 1, разрезанной вдоль большей оси эллипса (так, что получилось полукольцо), внешняя поверхность которой была упрочнена наклепом. С внутренней стороны образца приклеивалась специальная цилиндрическая вставка 3, являющаяся базовой поверхностью для измерения толщины стравленного слоя. Вся внешняя поверхность образца кроме исследуемого участка наклепанной поверхности 1 и верхнего торца цилиндрической вставки 4, покрывалась кислотостойким и теплостойким лаком. Образец погружался в электролит таким образом, чтобы базовая поверхность оставалась не погруженной. Таким образом, производилось послойное стравливание тонкого слоя с участка поверхности упрочненного слоя 1 образца. Толщина снятого слоя определялась микрометром относительно плоскости — торцевой поверхности 4 цилиндрической вставки 3. 2 2.

Рис. 3.1. Конфигурация образца, подвергаемого травлению.

Каждый раз после снятия очередного слоя металла температура образца стабилизировалась в водяной ванне, что исключало влияние колебаний температуры образца на сигнал электромагнитного преобразователя. После стравливания очередного слоя металла на участке 1 исследуемого образца измерялся сигнал накладного П-образного датчика по схеме на рис. 3.4. Таким образом, получались взаимосвязанные значения и, 11- • соэф! + ] • 11- • БШф- | исследуемого слоя от поверхности образца, после очередного травления. По полученным данным строился график 11} = f (Ь), отображающий изменение сигнала электромагнитного преобразователя по глубине наклепанного слоя. Поскольку влияние остальных факторов было исключено, электромагнитный сигнал в этом случае зависел от р. и о тонкого поверхностного слоя исследуемого образца. Примеры экспериментально полученных графиков зависимостей 11} = Г (Ь) приведены в Приложении 1.

Помимо этого, на аналогичных наклепанных образцах (изготовленных по программе, показанной на рис. 3.3) измерялось распределение остаточных напряжений по глубине упрочненного слоя (эпюры остаточных напряжений) по действующей на заводе методике. Некоторые из полученных эпюр приведены Приложении 2.

На рис. 3.2 показаны наиболее типичные графики, иллюстрирующие три основных типа зависимости свойств изделия по толщине: нормальное упрочнение, недостаточное упрочнение, разупрочнение. Аналогичным образом изменяются по глубине и механические свойства изделий — поверхностные напряжения, измеренные на образцах.

Анализ результатов этих исследований позволяет сделать следующие выводы:

1. Упрочненный поверхностный слой не имеет резкой границы, отделяющей его от основного материала.

2. Изменения электромагнитных свойств изделия по толщине аналогично изменению его физико-механических свойств.

Рис. 3.2. Наиболее типичные зависимости напряжения сигнала датчика от толщины стравленного слоя для разных условий упрочнения.

Модель объекта контроля, описываемая уравнением электромагнитного датчика, расположенного над однородным упрочненным слоем, является весьма грубым приближением. Гораздо лучшее приближение даст модель, в которой упрочненный слой будет состоять из ряда слоев с различными свойствами, т. е. применение ступенчатой либо кусочно-линейной аппроксимации изменения физико-механических и электромагнитных свойств по толщине.

3.2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ АФЧХ СИГНАЛОВ ДАТЧИКА НА ОБРАЗЦАХ ИЗДЕЛИЙ.

Для экспериментального определения АФЧХ сигналов датчика были проведены измерения на 36 образцах изделий, изготовленных из стали 40ХНМА и упрочненных наклёпом согласно программе изготовления образцов (рис. 3.3), которая позволяет получить широкий диапазон факторов, подлежащих контролю — толщины упрочненного слоя и механических сжимающих напряжений в упрочненнм поверхностном слое.

Рис. 3.3. Программа изготовления образцов.

Рис. 3.3. Программа изготовления образцов (продолжение).

Введите текст].

На половине образцов разрушающим способом были определены толщина упрочненного слоя и величина остаточных напряжений на поверхности. Цель данного эксперимента — получить зависимость АФЧХ ЭДС датчика от величины воздушного зазора между электромагнитным датчиком и образцом, от толщины упрочненного слоя и величины остаточных напряжений на поверхности.

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 3.4.

Исследуемый образец.

— Д2.

Эталонный образец Ф.

Рис. 3.4. Схема экспериментальной установки для определения АФЧХ сигнала датчика на образцах изделий.

Здесь Г — генератор синусоидального напряжения, задающий ток возбуждения датчиков Д] и Д2, включенных по дифференциальной схемеУ — измерительный усилительФ — измеритель разности фаз.

Схема измерительной позиции приведена на рис. 3.5.

Датчик Д2 расположен над эталонным образцом с фиксированным зазором 5Эт =500 мкм. Датчик Ді расположен над измеряемым образцом таким образом, что может перемещаться перпендикулярно поверхности образца для задания требуемой величины воздушного зазора 8. Величина зазора — расстояние от поверхности образца до датчика — измеряется индикатором часового типа И.

Эталонный образец выполнен по стандартной технологии упрочнения (четыре прохода упрочнителя, натяг — 0,25, толщина упрочненного слоя И = 400 мкм) и установлен вместе с датчиком Д2 в экранированном корпусе.

Измеряемый образец и датчик Д] установлен на измерительной позиции, позволяющей задавать и измерять величину воздушного зазора.

Измерительный образец 1 (рис. 3.5) устанавливается на штативе с закрепленным на нем датчиком 4. С помощью гайки 10 основание 8 можно перемещать по резьбовой направляющей 7 в широких пределах при замене образца и для грубой установки величины зазора. Точная установка величины зазора производится микрометрическим винтом 6, перемещающим датчик относительно опоры 8. Четыре плоские пружины 9 обеспечивают плоскопараллельное перемещение датчика. Винтом 11 регулируется угол наклона опорной плиты 12 таким образом, чтобы обеспечить параллельность торца датчика 4 и нормали криволинейной поверхности образца 1. Величина перемещения датчика измеряется индикатором 5, закрепленном с помощью стойки 3 на общем основании. Штифты 2 установлены таким образом, что их наконечники выступают на 300 мкм над плоскостью датчика и служат для задания базового значения зазора, от которого начинается отсчет. Одновременность касания обоих штифтов достигается установкой соответствующего наклона плиты 12 с помощью винта 11. Значения зазора, устанавливаемые при измерениях АФЧХ, приведены в таблице 3.1.

В дальнейшем будут использоваться только значения относительного зазора, т.к. именно рассогласование зазоров вызывает появление сигнала датчика в дифференциальной схеме при прочих равных условиях. Кроме того, относительный зазор является удобной величиной в задаче контроля или автоматического регулирования зазора.

Значения частот спектра возбуждения датчика выбираются в диапазоне 500 Гц²⁰ кГц. На более низких частотах ЭДС датчика слишком мала и отношение сигнал/помеха становится недопустимо высоким. Кроме того, передаточные коэффициенты электромагнитных факторов и зазора на частотах ниже 500 Гц также очень малы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Сформулируем основные результаты нашего исследования применения имитационного моделирования в разработке и исследовании средств нераз-рушающего контроля.

1. Разработана математическая модель образования сигнала электромагнитного датчика, расположенного над многослойной проводящей ферромагнитной средой для основных колебаний. Показано, что сигнал датчика значительно зависит от электромагнитных свойств изделия, над которым расположен датчик. При этом контроль может быть бесконтактным — наличие воздушного зазора между датчиком и изделием является вполне преодолимым «мешающим фактором». При соответствующей обработке из сигнала датчика можно выделить информацию о зазоре между датчиком и изделием, и использовать эту информацию, например, для контроля толщины непроводящего неферромагнитного покрытия. Или для активного адаптивного подавления зазора при контроле изделий сложного профиля.

2. Разработана математическая модель образования сигнала электромагнитного датчика, расположенного над многослойной проводящей ферромагнитной средой для комбинационных колебаний. Несмотря на то, что амплитуды комбинационных колебаний намного меньше, чем основных колебаний, соответствующим выбором рабочих частот можно получить требуемое значение частоты комбинационного колебания, что позволит выделить его на фоне основных. Используя комбинационные колебания, можно существенно повысить точность неразрушающего контроля, особенно для тех видов упрочнения поверхности, которые повышают одновременно и электропроводность, и магнитную проницаемость упрочненного слоя. Поскольку при этом значительно изменяется коэффициент Рэлея для упрочненного слоя и основы, то в этом случае комбинационные колебания оказываются намного чувствительнее к толщине упрочненного слоя, чем основные колебания.

3. Разработана имитационная модель образования сигнала электромагнитного датчика для основных и комбинационных колебаний. Поскольку аналитическое выражение для комбинационных колебаний не очень удобно для прямого расчета, то предложен рекуррентный метод, используя который можно достаточно просто получить значения ЭДС датчика, как для основных, так и для комбинационных колебаний (а также для высших гармоник, если такое понадобится) любого порядка. Генерация виртуальных образцов и их использование для построения и проверки точности регрессионной модели позволяет определить оптимальные условия контроля без изготовления и исследования реальных образцов изделий. Кроме того, значительно сокращается количество реальных образцов изделий, требуемое для окончательной настройки прибора при его экплуатации.

4. Экспериментально изучены электромагнитные параметры стали 40ХНМА, упрочненной наклепом, в зависимости от факторов технологической обработки. На основании этих данных сформированы конфигурация и свойства имитационной модели и виртуальных образцов.

5. Усовершенствованы методы формирования и обработки сигнала датчиков с целью повышения точности контроля. Использование имитационной модели позволяет определить оптимальный спектр возбуждения датчика и параметры регрессионной модели для обработки его сигнала. Выбор оптимального спектра возбуждения значительно повышает точность контроля и уменьшает влияние на его результаты случайных вариаций свойств изделия, а также различных помех, воздействующих на устройство в целом.

6. Предложенные способы и методики реализованы в установке нераз-рушающего контроля и проверены в условиях производства.