Технологический контроль диаметра и эксцентричности электрического кабеля в процессе производства

Актуальность работы. Кабели и провода это важнейшие изделия, без которых невозможно представить современную повседневную жизнь общества. Кабельная промышленность, — одна из ведущих и наиболее бурно развивающихся отраслей народного хозяйства. Её отличают высокая технологичность, энергоёмкость, ресурсоёмкость и высокая степень автоматизации производства. Номенклатура кабельных изделий очень разнообразна. Широко применяются кабельные изделия с резиновой и пластмассовой изоляцией (в дальнейшем кабельные изделия). На эту группу приходится около 35% всего выпуска кабельных изделий, и спрос на них неуклонно растет. При этом главным критерием при производстве кабельных изделий выступает их качество — доведение выхода годных изделий до 100% посредством совершенствования технологии контроля основных параметров изделия в процессе производства, автоматизации технологических процессов. Поэтому необходим контроль как электрических, так и геометрических параметров кабельных изделий непосредственно в процессе производства [1,2]. Контроль геометрических параметров позволяет снизить расход дорогостоящего сырья и материалов.

Качество кабельных изделий характеризуется различными геометрическими и электрическими параметрами, как правило, связанными друг с другом. Для проводов, изолированных жил, кабелей круглого сечения одними из наиболее важных конструктивных параметров являются наружный диаметр, овальность и эксцентричность. Выход за допуски геометрических параметров кабельного изделия влечет за собой не только его отбраковку по данному параметру, но и изменение его электрических характеристик. Измерение геометрических параметров кабеля должно происходить в режиме реального времени непосредственно в технологическом процессе. Различные технологические процессы изготовления кабельных и других протяжённых изделий включают в себя перемещение полуфабрикатов и готовой продукции со скоростями от 8 — 10 метров в минуту (эмалирование) до 1000 метров в минуту (волочение). Температура контролируемых объектов также имеет различные значения — от нескольких десятков до нескольких сотен градусов. Контролируемые изделия имеют поперечные размеры от долей миллиметра до нескольких сантиметров и требуют измерения с различной погрешностью [3, 4, 5, 6, 7].

Существующие системы контроля (главным образом зарубежные) диаметра и эксцентричности электрического кабеля не удовлетворяют требованиям современных российских потребителей по цене и по ряду эксплуатационных характеристик. Также недопустимо, что в такой стратегической области промышленности как кабельная, практически отсутствуют приборы отечественных производителей измерительного оборудования.

Цель диссертационной работы — разработка методов и средств контроля «на проход» непосредственно в процессе изготовления на технологической линии диаметра, овальности кабелей и других круглых протяжённых изделий, а также эксцентричности одножильных круглых кабелей и проводов.

Постановка задачи. Для достижения указанной цели необходимо решение следующих задач.

• Анализ существующих методов и средств измерения диаметра и эксцентричности кабельных изделий в процессе их производства. Выявление их достоинств и недостатков.

• Разработка новых перспективных методов и средств измерения диаметра кабеля и других протяжённых круглых изделий. Техническая реализация этих методов, разработка их метрологического обеспечения.

• Разработка метода технологического контроля эксцентричности одножильных круглых кабелей и проводов на основе совмещения оптоэлектронных и индуктивных методов. Разработка конструкции совмещённого индуктивно-оптического преобразователя, алгоритма совместного преобразования сигналов оптического и индуктивного измерительных каналов.

Методы исследования. Основаны на теории измерений, теории погрешностей, численного анализа и методов компьютерного моделирования, дифференциальной геометрии и линейной алгебры, физической оптики, современных информационных технологиях MathLab 10, Exel, Origin 5.0. Программное обеспечение разработано на языке С++ в компиляторе Keil.

Научная новизна работы состоит в следующем.

• Предложен метод двухкоординатного проекционного оптического преобразования диаметра и овальности протяжённых изделий большого сечения, конструкция измерительного преобразователя и алгоритм преобразования сигналов измерительной информации, позволяющие измерять изделия больших и средних диаметров.

• Предложен метод двухкоординатного оптического преобразования диаметра и овальности протяжённых изделий в расходящемся пучке, конструкция измерительного преобразователя и алгоритм преобразования сигналов измерительной информации, позволяющие упростить оптическую схему, исключив из неё элементы линзовой и зеркальной оптики и механические сканирующие узлы.

• Предложен метод определения геометрических параметров двухкоординатных измерителей диаметра, построенных на базе оптической схемы с расходящимся пучком. Метод позволяет уменьшить погрешность приборов, а так же снизить трудоёмкость процесса юстировки при их серийном производстве.

• Предложен метод индуктивно-оптического преобразования диаметра и эксцентричности электрического кабеля, конструкция преобразователя, алгоритм преобразования сигналов измерительной информации и методика определения оптимальных геометрических параметров, позволяющие обеспечить линейность функции преобразования и малую погрешность измерения в широком диапазоне смещений электрического кабеля.

На защиту выносятся следующие научные положения.

1. Применение двухкоординатной проекционной оптической измерительной схемы позволяет бесконтактно в режиме реального времени контролировать диаметр и овальность протяжённых изделий на разных этапах их производства непосредственно на технологической линии. Измерительные системы данного типа имеют следующие преимущества перед аналогами: точность измерения подобных систем может достигать 25 мкм, диаметр измеряемых объектов может варьироваться в очень широких пределах от 5 до 200 мм и более. Возможен контроль геометрических параметров изделий получаемых методом экструзии с профилем отличным от круглого и применение в качестве осветителей различных источников света.

2. Применение предложенного оптического двухкоординатного метода измерения, диаметра' в расходящемся лазерном пучке обладает целым рядом преимуществ, связанных с отсутствием в конструкции элементов линзовой и зеркальной оптики. В частности,. достижимая точность измерения таких приборов составляет доли микрометра и ограничена только дифракционными эффектами на границах тени и разрешающей способностью используемых многоэлементных приёмников. Данный метод измерения применим для построения измерителей диаметра с шириной зоны измерения до 70 мм.

3. Для измерения эксцентричности и диаметра электрического кабеля предложена конструкция индуктивно-оптического преобразователя, в которой заложены три принципиальных отличия от известных устройств:

• используемый магнитный трансформаторный взаимоиндуктивный преобразователь, обладает линейной функцией преобразования поперечного смещения проводника в электрический сигнал, что позволяет отказаться от электрических приводов в автоматическом режиме центрующих блок датчиков относительно измеряемого объекта;

• двухкоординатная оптическая система с расходящимся лазерным пучком не содержит в себе элементов линзовой и зеркальной оптики, а также механических подвижных оптических элементов, что делает её компактной и потенциально более надёжной;

• использование оригинальных подходов в реализации индуктивно-оптического метода измерения позволило конструктивно скомпоновать оптические и индуктивные преобразователи в единый, компактный, неподвижный, разъёмный измерительный индуктивно-оптический моноблок.

Практическая значимость определяется прикладной направленностью, ориентированной на использование полученных результатов при проектировании высокоинформативных средств технологического контроля геометрических параметров кабельных изделий, таких как диаметр, овальность и эксцентричность. Помимо кабельной промышленности, рассмотренные в работе методы и средства измерения диаметра, могут быть использованы для непрерывного контроля при производстве других протяжённых изделий. Это могут быть различные профили, трубы, пищевые полиамидные оболочки, стальные канаты, натуральные и синтетические шнуры и волокна и т. п. Также кроме непрерывного контроля диаметра методы могут быть использованы для обнаружения локальных геометрических дефектов (утолщений и утонений) при производстве перечисленных видов изделий.

Разработанные в диссертации методы и средства технологического контроля диаметра и эксцентричности электрического кабеля, ориентированы на решение практически важной и актуальной задачи, которая состоит в минимизации выпуска брака, улучшении качества производимых кабельных изделий, уменьшении затрат на материалы и сырьё, необходимые для производства, а соответственно уменьшении себестоимости продукции.

Внедрение результатов.

Результаты диссертационной работы внедрены на предприятии ООО «НИИ Эрмис», г. Томск. В частности, налажен серийный выпуск двухкоординатных проекционных и лазерных измерителей диаметра следующих моделей: «Цикада-3.7» (всего выпущено 30 шт.), «Цикада-4.7» (всего выпущено 10 шт.), «Цикада-2.7» (всего выпущено 40 шт.), «Цикада-1.7» (всего выпущено 5 шт.) и «Цикада-3.8» (всего выпущено 20 шт.). Перечисленное измерительное оборудование используются многими российскими кабельными заводами для непрерывного контроля диаметра кабельных изделий. Это такие предприятия как: ООО «Скамерж», г КраснодарОАО «Рыбинсккабель», г. РыбинскООО «Курганский кабельный завод», г. КурганОАО «Подольсккабель», г. ПодольскЗАО «Завод Людиновокабель», г. ЛюдиновОАО «Новгородский металлургический завод», г. Великий НовгородООО «Рыбинскэлектрокабель», г. РыбинскООО «Аллюр», г. Великие ЛукиООО «Энергокабель», г. Электроуглизавод «Казэнергокабель» г. Павлодар, р. Казахстанзавод «Дурт-Пласт», г. Валч, Польша и многие другие предприятия России, а также ближнего и дальнего зарубежья.

Применение описанного в работе индуктивно-оптического преобразователя позволило на базе фирмы ООО «НИИ Эрмис» г. Томск совместно с кафедрой ИИТ ТПУ разработать прибор для непрерывного контроля эксцентричности и диаметра электрического кабеля «Вектор-1.01». В настоящее время завершены его лабораторные испытания и он проходит стадию подготовки к серийному производству.

Также результаты диссертационной работы используются в учебной и научной деятельности университета:

• при разработке оборудования учебно-научной лаборатории технологического контроля в производстве использованы технические решения, отдельные узлы и устройства, разработанные диссертантом при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ — измеритель диаметра и овальности кабеля «Цикада — 2.7», измеритель длины и скорости протяжённых изделий «Дельта — 1»;

• при разработке методического обеспечения лекционных, практических и лабораторных занятий по дисциплинам «Технологический контроль в производстве» для студентов Института неразрушающего контроля и «Технологический контроль в кабельном производстве» для студентов энергетического института нашли отражение разработанные диссертантом новые методы и средства технологического контроля диаметра и эксцентричности кабельных изделий;

• при обучении и обеспечении НИР студентов элитного технического образования по направлению «Приборостроение» использованы разработанные диссертантом методы и средства контроля.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

• выставке WIRE Russia 2003, Москва 2003 г.;

• выставке WIRE Russia 2004, Москва 2004 г.;

• выставке WIRE Russia 2005, Москва 2005 г.;

• Российской научно-технической конференции «Научно-технические проблемы приборостроения и машиностроения», г. Томск, 2004 г.;

• 12-й, 13-й и 14-й международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии», г. Томск, 2005; 2007 г.;

• научных семинарах кафедры информационно-измерительной техники Национального исследовательского Томского политехнического университета;

• научных семинарах, проводимых на базе предприятия кабельного приборостроения ООО «НИИ Эрмис»;

• В 2007 году по теме диссертации был получен грант программы «УМНИК» (Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 научных работ, из них — 1 патент РФ на изобретение, 5 статей в центральной печати и 4 статьи в сборниках научных трудов.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из 3-х глав и 2-х приложений, содержит 155 страниц, включая 59 иллюстраций, 3 таблицы и список литературы из 86 наименований.

Заключение

.

1. На основе анализа существующих методов и средств измерения диаметра электрического кабеля показано, что одними из эффективных методов контроля диаметра являются теневой в расходящемся пучке и проекционный метод, которые характеризуются малой погрешностью измерения, высоким быстродействием, хорошей помехоустойчивостью и простотой технической реализации. Анализ методов измерения эксцентричности одножильного кабеля показал, что наиболее эффективным в эксплуатации, простым и недорогим в реализации методом является индуктивно-оптический.

2. Предложен и разработан оптический двухкоординатный проекционный метод измерения диаметра и овальности электроизоляционной оболочки электрического кабеля и конструкция оптического преобразователя, отличающегося компактностью, хорошим быстродействием и малой погрешностью измерения. Для метода разработанны алгоритмы преобразования сигналов первичной измерительной информации, позволяющие производить вычисление диаметра с заданной точностью.

3. Предложен и разработан оптический двухкоординатный метод измерения диаметра и овальности внешней оболочки кабеля в расходящемся лазерном пучке. Метод в силу отсутствия в оптической системе линзовых и зеркальных элементов, а также механических сканирующих узлов, обладает большей компактностью, малой погрешностью измерения, ограниченной исключительно разрешением применяемого многоэлементного приёмника, а также потенциально лучшей надёжностью. Разработаны также алгоритм преобразования* первичной измерительной информации и конструкция измерительного преобразователя. Предложен способ отыскания геометрических параметров измерителей диаметра и овальности, базирующихся на описанном методе, упрощающий их калибровку при серийном производстве.

4. Предложен, разработан и реализован, индуктивногоптический метод измерения эксцентричности и диаметра одножильного электрического кабеля, на основе совместного использования оптического метода измерения смещения внешней оболочки кабеля*, в расходящемся' лазерном пучке и индуктивного трансформаторного метода, измерениясмещения" токоведущей жилы. Предложенный к использованию индуктивный метод, в отличие от аналогов, благодаря особенностям реализации измерительного преобразователя и разработанной методике нахождения оптимальных геометрических параметров данного преобразователя" обладает линейной, функцией, преобразования. Разработана^ разъёмная конструкция совмещённого индуктивно-оптического преобразователякоторыйпозволяет вводить и выводить контролируемый кабель из зоны измерения, не останавливая технологический-процесс, а также методика совместной обработкии отображения данных индуктивного и оптических измерительных каналов.

5. Для, предложенных методови средств * контроля диаметра и эксцентричности кабельных изделий в процессе производства разработано метрологическое обеспечение, включающее в* себя' методикикалибровки", и поверки, а также средства и оборудование необходимые для их осуществления.

6. На" основе предложенных, оптических методов* контроля внешней оболочки электрического кабеля-разработаны, внедрены в учебный процесс, в серийное производство и поставлены для эксплуатации на многие заводы РФ, ближнего и дальнего зарубежья семейство приборов для технологического контроля диаметра кабельных изделий' в процессе их производства. Применение предложенного индуктивно-оптического преобразователя позволило разработать и подготовить к производству измеритель эксцентричности и диаметра одножильного электрического кабеля на проход, который успешно прошёл лабораторные и заводские испытания и в данный момент подготовлен к серийному производству (приложение 1, 2). Сводные характеристики приборов, реализующих представленные методы измерений приведены в таблице 1.