Способ вывода звуковой информации о технологическом процессе электронно-пучкового воздействия
METHOD FOR OUTPUTTING AUDIO INFORMATION ABOUT THE TECHNOLOGICAL PROCESS OF ELECTRON-BEAM ACTION

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к термической обработке металлов и сплавов в вакуумной камере электронными пучками в виде коротких импульсов, и может быть использовано для контроля результирующих показателей процесса термической обработки поверхностей, в частности, поверхностного легирования.
Из уровня техники известны способы вывода звуковой (вибрационной) информации о фазовых превращениях, сопровождающих термическое воздействие, заключающиеся в том, что границы фазовых переходов определяют с помощью датчика акустической эмиссии, присоединяемого к обрабатываемому образцу (1. Патент РФ №2433190, МПК C21D 1/55; G01N 29/00; C21D 1/04. Опубл. Бюл. №31, от 10.11.2011; 2. Вьюненко Ю.Н., Черняева Е.В. Особенности акустической эмиссии при мартенситных превращениях в сплаве TiNi. // Вестник Тамбовского университета. Серия: естественные и технические науки. Т. 21, №31. 2016. С. 917-921).
Основным недостатком приведенных аналогов является то, что они рассчитаны на обработку сигналов на компьютере и вывод результатов на монитор для визуального наблюдения со стороны оператора. Однако такой способ предполагает высокий уровень квалификации оператора и проработанность алгоритмов принятия решения относительно контролируемого процесса, происходящего в вакуумной камере. Для создания алгоритмов принятия решения по многочисленным процессам, протекающим в вакуумной камере при широком наборе материалов и режимов, необходим предварительный цикл исследований для каждого варианта сочетаний обрабатываемого материала и режимов обработки. Большие временные затраты и высокие требования к квалификации персонала приводят к тому, что подобные способы применяются только для научных исследований. В результате производственный контроль качества процессов обработки в вакуумных камерах в основном ведется по результатам анализа качества получаемых изделий. Этот недостаток сказывается на качестве получаемой продукции и времени подбора рациональных режимов обработки. Но даже при выбранных режимах существует случайный разброс в параметрах подаваемых электронных импульсов, запускающих требуемую реакцию в образцах в разных объемах. Без методов оперативного контроля это нельзя оценить и принять адекватное решение по дальнейшим действиям (повторить обработку, изменить технологические режимы).
Наиболее близким к предлагаемому способу по количеству общих существенных признаков и достигаемому техническому результату - прототипом - является способ мониторинга фазовых превращений в металле при изменении его температуры, заключающийся в том, что к обрабатываемой заготовке присоединяют волновод, выходящий за пределы зоны обработки, на котором закрепляют датчик колебаний, информация с которого обрабатывается с помощью компьютера (Воронцов В.Б., Журавлев Д.В. Связь структуры сигналов акустической эмиссии при кристаллизации А1 с механизмом формирования твердой фазы из расплава. // Вестник Новгородского государственного университета, №67. 2012. С. 8-13).
Основным недостатком и технической проблемой известного технического решения является то, что оно не предназначено для оперативного информирования персонала, обслуживающего вакуумную камеру в производственных условиях. Это известное решение предназначено для проведения исследовательских работ высококвалифицированным персоналом, который хорошо разбирается в методике математической обработки сигналов вибраций и может читать графическую информацию на экране монитора. По мере накопления такой информации и сопоставления ее с результатами анализа качественных показателей обработанных поверхностей (например, равномерность покрытия легирующей пленкой, глубина ее проникновения в поверхностный слой, количество микротрещин и т.п.) может вырабатываться рекомендация по рациональным режимам обработки (мощность электронного импульса, количество импульсов, газовая среда и т.п.). Оператор, обслуживающий производственную установку с электронной пушкой, не знаком с методами вибродиагностики, но он имеет обычные навыки восприятия звуковой информации. Человеческое ухо способно воспринимать частотные и амплитудные изменения в звуковом сигнале, его модуляцию. Сопоставляя эти изменения с результатами определения качественных показателей поверхностного слоя обработанных деталей, оператор может самостоятельно нарабатывать связи параметров органолептического восприятия (громкость и особенности модуляции в разных частотных диапазонах, соотношение амплитуд сигналов в разных диапазонах) с результатами обработки. В итоге он сможет самостоятельно давать оценку протекающим процессам в вакуумной камере и принимать решения по изменению режимов обработки. Это так же, как опытный водитель оценивает состояние мотора по изменениям в сопровождающем шуме.
Задачей изобретения является оснащение оператора звуковой информацией о технологическом процессе электронно-пучкового воздействия на деталь для текущего контроля и оперативного реагирования на изменения качества протекания процессов в вакуумной камере при реализации технологического процесса поверхностного легирования с целью оперативного реагирования на отклонения в качестве реализуемого процесса и сокращения сроков разработки рациональных технологических режимов.
Техническим результатом является сокращение времени освоения технологии обработки новых материалов и повышение точности настройки режимов работы технологического оборудования, определяющих параметры электронных импульсов и эффективность их воздействия на поверхность детали, и повышение качества продукции электронно-пучковой обработки за счет своевременной коррекции технологического процесса.
Поставленная задача решается, а заявленный результат достигается тем, что в способе вывода звуковой информации о технологическом процессе электронно-пучкового воздействия на поверхность заготовки, заключающемся в присоединении к обрабатываемому объекту гибкого волновода, выходящего за пределы вакуумной камеры через вакуумный ввод, закреплении на волноводе акселерометра и обработке информации с последнего с помощью компьютера, полученный с акселерометра сигнал регистрируют в виде временных зависимостей текущих значений сигналов в двух частотных диапазонах от начала воздействия до момента падения амплитуды сигналов до уровня фоновых шумов, выделяют огибающие полученных зависимостей, которые растягивают во времени в 50 и более раз, формируя новые огибающие, для более низкочастотного диапазона выбирают частоту несущего сигнала в пределах от 50 до 1000 Гц, для другого диапазона частоту несущего сигнала берут в два и более раз выше, в качестве частотных диапазонов, в которых регистрируют временные зависимости текущих значений сигналов с акселерометра, выбирают те диапазоны, в которых по экспериментальным данным эффективная амплитуда сигнала подвергается наибольшим изменениям от импульса к импульсу при вариации условий обработки и по случайным причинам, новые огибающие используют в качестве модулирующих функций для соответствующих выбранных несущих сигналов, модулированные сигналы дифференцированно усиливают и раздельно подают на двухканальное звуковоспроизводящее устройство для воздействия на правое и левое ухо оператора соответственно.
Изобретение поясняется изображениями, где представлены:
на фиг. 1 - схема установки аппаратуры, реализующей предлагаемый способ, для записи и анализа сигналов вибраций с акселерометра, возникающих после подачи электронного импульса, и преобразования их в звуковой сигнал, воздействующий на органы слуха оператора;
на фиг. 2 - пример записи импульса вибраций, возникшего после подачи электронного импульса, отфильтрованного в полосе 10-19 кГц, и его огибающая;
на фиг. 3 - пример новой огибающей после растяжения в 100 раз и вид квазигармонического сигнала, модулированного новой огибающей;
на фиг. 4 - пример двух квазигармонических сигналов, сформированных в соответствии с предлагаемым способом, подаваемых на органы слуха оператора.
Способ вывода звуковой информации о технологическом процессе электронно-пучкового воздействия на поверхность заготовки заключается в присоединении к обрабатываемому объекту гибкого волновода, выходящего за пределы вакуумной камеры через вакуумный ввод, закреплении на волноводе акселерометра и обработке информации с последнего с помощью компьютера, а полученный с акселерометра сигнал регистрируют в виде временных зависимостей текущих значений сигналов в двух частотных диапазонах от начала воздействия до момента падения амплитуды сигналов до уровня фоновых шумов, выделяют огибающие полученных зависимостей, которые растягивают во времени в 50 и более раз, формируя новые огибающие, для более низкочастотного диапазона выбирают частоту несущего сигнала в пределах от 50 до 1000 Гц, для другого диапазона частоту несущего сигнала берут в два и более раз выше, в качестве частотных диапазонов, в которых регистрируют временные зависимости текущих значений сигналов с акселерометра, выбирают те диапазоны, в которых по экспериментальным данным эффективная амплитуда сигнала подвергается наибольшим изменениям от импульса к импульсу при вариации условий обработки и по случайным причинам, новые огибающие используют в качестве модулирующих функций для соответствующих выбранных несущих сигналов, модулированные сигналы дифференцированно усиливают и раздельно подают на двухканальное звуковоспроизводящее устройство для воздействия на правое и левое ухо оператора соответственно.
В соответствии с изобретением на фиг. 1 показан пример схемы, реализующей аппаратную часть предлагаемого способа, где с обрабатываемым образцом 1 контактирует волновод 2, выполненный из гибкой проволоки, противоположный конец которого присоединен к принимающей пластине 3, на которой установлен акселерометр 4, выход которого подключен к предусилителю 5, подключаемому к аналоговому усилителю 6, на выходе которого установлен аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, данные которого с помощью компьютера 8 сохраняются для последующей обработки и формирования двухканального акустического отображения сигнала вибраций, которое дифференцированно подается на наушники 9, имеющие устройства усиления и балансировки каналов, используемые оператором.
На фиг. 2 показан пример вибрационного сигнала 10, возникшего в результате подачи электронного импульса на обрабатываемый образец 1. На примере показан вид импульса длительностью 50 мс после фильтрации полосовым фильтром 10-19 кГц. Огибающая 11 для сигнала 10 построена путем последовательного вычисления эффективных значений амплитуды на коротких отрезках времени (в данном случае брались отрезки по 4 мкс). Длина временных отрезков определяет подробности сигнала, описываемые с помощью огибающей. Очень подробное описание не имеет смысла, т.к. их не различает человеческое ухо, грубое описание теряет существенные подробности. Таким же образом может строиться и пиковая огибающая, где для каждого отрезка выделяется максимальное значение.
На фиг. 3 показана новая огибающая 12 после растяжения в 100 раз начальной огибающей 11 и квазигармонический сигнал 13, модулированный новой огибающей 12. На вставке 14 показан увеличенный участок квазигармонического сигнала, модулированный новой огибающей, и несущий сигнал с постоянной частотой (в данном случае 70 Гц).
На фиг. 4 показан пример двух квазигармонических сигналов, сформированных для озвучивания сигналов вибраций в двух частотных диапазонов (были выбраны два частотных диапазона: 10-19 кГц и 19-40 кГц). Новые огибающие модулируют несущие сигналы на частотах 70 Гц для полосы 10-19 кГц и 250 Гц для полосы 19-40 кГц. Громкость квазигармонических сигналов выравнивается для их комфортного восприятия оператором при одновременном дифференцированном прослушивании разными ушами. Дифференцированное усиление устанавливается заранее на основании экспериментов с типовыми сигналами конкретного технологического процесса. При таком подходе обеспечивается максимальная информативность каждого канала. Дифференцированное усиление делается для балансировки сигналов в разных каналах. Высокой информативностью может обладать сигнал, изначально имеющий относительно маленькую амплитуду. Для улучшения его восприятия на фоне сигнала другого канала требуется балансировка (обычно такое устройство присутствует в стерео аппаратуре). Для начальной установки баланса каналов можно выравнивать максимумы квазигармонических сигналов для типовых условий технологического процесса.
Способ акустического мониторинга электронно-лучевой технологии в вакуумных камерах осуществляется следующим образом. В соответствии с фиг. 1 из вакуумной камеры выводится гибкий волновод 2, который механически соединен с обрабатываемым образцом 1. Для вывода из вакуумной камеры участок волновода уплотняется. Противоположный конец волновода 2 присоединен к принимающей пластине 3, на которой установлен акселерометр 4, выход которого подключен к предусилителю 5, подключаемому к аналоговому усилителю 6, на выходе которого установлен аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, данные которого с помощью компьютера 8 сохраняются для последующей обработки и формирования акустического отображения сигнала вибраций, которое подается на наушники 9, используемые оператором.
Практика показала, что длительность вибрационного сигнала, возникающего после облучения детали, составляет около 50 мс. Основная энергия сигнала сосредоточена на еще более коротком участке, иногда доходящем до 15 мс. Если такой сигнал подать в наушники оператора, то он с трудом сможет оценить только амплитуду импульса. На самом деле человеческое ухо может различать множество оттенков сигнала, включая изменения амплитуды и частотного состава, но только при достаточной длительности анализируемого импульса (это 5-10 секунд). При наличии опыта оператор может на слух оценивать ход процесса и вовремя реагировать на нежелательные отклонения. При изменении состава обрабатываемых материалов оператор может не дожидаться проведения исследователями испытаний различных режимов обработки, а самостоятельно на слух определять подходящее сочетание варьируемых режимов, сопоставляя их с последующими результатами анализа качества полученных поверхностей (после извлечения из вакуумной камеры).
Однако просто растянуть во времени сигнал исходного импульса не лучший вариант, поскольку в этом случае все частоты, входящие в спектр вибрационного сигнала (в основном это собственные частоты канала, соединяющего обрабатываемую деталь с акселерометром) будут уменьшены в такое же число раз, во сколько увеличено время импульса. Получается, что на небольшом низкочастотном промежутке будет сосредоточено множество частот, которые раньше были распределены в частотном диапазоне в 100-200 раз большем (при длинном волноводе основная энергия вибраций сосредоточена на частотах до 20-30 кГц). Получается такой шумовой сигнал, в котором трудно разобрать отдельные составляющие. Надо еще учитывать, что миниатюрная акустическая аппаратура хуже передает самые низкие частоты. Возникает нижний порог около 40 Гц. В связи с этим в предлагаемом способе было решено, из состава сигнала вибраций выделять два частотных диапазона и их звуковым отображением воздействовать на разные уши оператора. Для этого исходный сигнал фильтруется для этих частотных диапазонов, и строятся начальные огибающие (график 11 на фиг. 2) для каждого диапазона. Начальные огибающие растягиваются до нужного временного масштаба (в 100-200 раз), для каждого диапазона выбирается свой несущий гармонический сигнал, который должен модулироваться новой (растянутой) огибающей. Т. о., получаются два квазигармонических сигнала (пример 13 на фиг. 3), которые затем дифференцированно усиливаются и запускаются в разные наушники оператора. В этом случае на оператора воздействует не сложный шумовой сигнал, а упрощенный, состоящий из двух квазигармонических составляющих, оттенки (амплитуда, модуляция, соотношение амплитуд в разных диапазонах в разные моменты времени) изменения которых человек в состоянии уловить. Преобразованный сигнал запускается в наушники с некоторым запаздыванием (менее одной секунды), определяемым временем преобразования в компьютере, которое не сказывается на времени дальнейшего принятия решения оператором.
Выбор двух частотных диапазонов, в которых фильтруется исходный сигнал, делается заранее. Он определяется составом собственных частот канала наблюдения вибраций, распределением мощности импульсов по частотному диапазону и частотами, на которых амплитуда сигнала подвергается наибольшим изменениям от импульса к импульсу при вариации условий обработки и из-за случайных факторов, сопровождающих электронно-пучковую обработку. Частотный диапазон не должен быть слишком узким из-за появления в этом случае неустойчивости амплитуды сигнала, наиболее приемлемой шириной частотного диапазона является диапазон порядка одной октавы. Выбор наилучших диапазонов проводится на основании экспериментальных данных. В примере на фиг. 4 показаны два квазигармонических сигнала, сформированные для озвучивания двух частотных диапазонов, в которых происходили наибольшие изменения амплитуды при вариациях рабочих импульсов электронной пушки.
Выбор несущих частот гармонических сигналов тоже делается заранее и ориентируется на восприятие человеком этих сигналов и их различимость при совместном звучании. Для хорошей различимости необходимо, чтобы несущие частоты различались в два или более раз (по этой причине применяется разбиение частотного диапазона на октавы). Восприятие каждого квазигармонического сигнала разными ушами оператора улучшает различимость особенностей их вариаций по разным причинам. В этом случае выбирается несущая частота для самого низкочастотного диапазона (например, 70 Гц), для другого канала частота берется в два или более раз выше. При этом не исключается ориентация на учет пожеланий оператора. В дано случае вторая несущая частота была 250 Гц.
На фиг. 2 и 3 поэтапно показана последовательность преобразования сигнал в одном из выбранных частотных диапазонов (10-19 кГц). Эти данные были взяты из результатов экспериментальной обработки сигналов вибраций при электронно-пучковом облучении стальной пластины, покрытой пленкой NbHf. В результате облучения запускалась химическая реакция с образованием нитридной фазы (NbHf)N. Для озвучивания процесса были выбраны две частотные полосы 10-19 и 19-40 кГц. Преобразования в полосе 10-19 кГц показаны на фиг. 2 и 3, такие же преобразования были сделаны для второй полосы. В качестве несущих частот были выбраны частоты 70 и 250 Гц. Для улучшения восприятия звука на частоте 250 Гц перед подачей в наушники соответствующий квазигармонический сигнал был усилен в 6 раз для выравнивания максимальных значений амплитуд обоих сигналов. В результате были получены квазигармонические импульсы длительностью в 5 секунд (графики 15 и 16 на фиг 4), где в самом начале выделяются звуки на частоте 250 Гц, далее преобладают звуки на низкой частоте, модулированные волнообразным характером процессов мартенситного преобразования.
С учетом изложенного можно сделать вывод о том, что поставленная задача - оснащение оператора звуковой информацией о технологическом процессе электронно-пучкового воздействия на деталь для текущего контроля и оперативного реагирования на изменения качества протекания процессов в вакуумной камере при реализации технологического процесса поверхностного легирования - решена, а заявленный технический результат - сокращение времени освоения технологии обработки новых материалов и повышение точности настройки режимов работы технологического оборудования, определяющих параметры электронных импульсов и эффективность их воздействия на поверхность детали, и повышение качества продукции электронно-пучковой обработки за счет своевременной коррекции технологического процесса -достигнут.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к электрофизическим методам обработки, в частности к электронно-лучевой обработке в вакуумных камерах;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте нижеизложенной формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке и/или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.