Устройство для управления процессом газотермического напыления слоя покрытия

Полезная модель относится к области машиностроения и предназначена для управления процессом газотермического нанесения слоя покрытия на линейный цилиндрический физический объект методом напыления, например детонационным методом.
Известные технические решения: Детонационная установка для нанесения покрытий RU 2096094 С1 МПК B05B 7/20 (2006.01); Способ и устройство управления детонационным наращиванием толщины линейных физических объектов RU №2534234 С2 МПК B05B 7/20 (2006.01).
Известные технические решения имеют недостатки:
- проведение оптронных электрических инструментальных измерений диаметра (размера) детали производится с помощью дополнительного механического блока, состоящего из рамки, механической системы перемещения рамки, отсчетной системы, причем применение блока с движущимися механическими частями приводит к уменьшению точности измерений и снижению надежности детонационной установки для нанесения покрытий (RU 2096094 С1);
- для выполнения измерения толщины наносимого покрытия технологический процесс прерывают, что приводит к снижению качества нанесения покрытия, поскольку его термические свойства, а также параметры детонационного циклического инструмента, из-за прерывания ухудшаются ввиду их ухода из оптимального режима стабильного циклического качественного температурного процесса нанесения покрытия (RU 2096094 С1);
- для выполнения измерения толщины наносимого покрытия используют оптические приборы, расположенные в зоне напыления, что обусловливает ухудшение качества и надежности оптики в технологическом процессе (RU 2096094 С1);
- применяют сложные дорогостоящие аппаратные средства и сложный алгоритм (RU 2096094 С1);
- в процессе измерения контролируют диаметр объекта, а не толщину наносимого слоя (RU 2096094 С1).
Применение известных технических решений для детонационного наращивания толщины линейных цилиндрических физических объектов обусловливает излишнюю продолжительность процесса, недостаточную механическую надежность устройства для измерения толщины наносимого покрытия, недостаточную точность измерения.
Технической задачей, для решения которой служит предлагаемая полезная модель, является создание условий, при которых обеспечивается выполнение непрерывного технологического процесса газотермического нанесения слоя вещества на линейный цилиндрический физический объект.
Техническим результатом, получаемым при практическом использовании полезной модели, является создание возможности обеспечить непрерывность контроля толщины наносимого методом газотермического напыления покрытия в процессе его наращивания, уменьшить затраты времени на выполнение технологического процесса наращивания толщины слоя, наносимого на линейный цилиндрический физический объект; повысить точность и надежность системы контроля толщины наносимого покрытия.
Для решения поставленной технической задачи предлагаемое устройство для управления процессом газотермического напыления слоя покрытия включает инструмент для газотермического напыления слоя вещества, снабженный манипулятором линейного перемещения, блок установки обрабатываемой детали с приводом вращения детали вокруг ее продольной оси, перпендикулярной оси инструмента для газотермического напыления слоя вещества, датчик углового положения детали, рычаг, ось, механический привод оси, копир, блок фотодиодов, источник света, вычислительный управляющий блок, индикаторы.
Рычаг выполнен на оси, установленной на раме, под инструментом для газотермического напыления слоя вещества в его вертикальной плоскости, снабжен копиром, выполненным в одной плоскости с рычагом, закрепленным под рычагом, огибающим рычаг спереди и сверху по направлению инструмента для газотермического напыления слоя вещества, с зазором 2-5 мм между рычагом и копиром.
Копир на его конце, обращенном противоположно направлению инструмента для газотермического напыления слоя вещества, снабжен вертикальной оптической шторкой в плоскости копира. На раме с одной стороны шторки выполнен источник света, с противоположной стороны выполнен блок фотодиодов, передняя по направлению инструмента для газотермического напыления слоя вещества часть рычага и копира выступает вперед за ось линейного физического объекта.
Полезная модель поясняется прилагаемыми схемами, где на фиг. 1 показано предлагаемое устройство, вид сбоку; на фиг. 2 предлагаемое устройство, вид сверху: инструмент для газотермического напыления слоя вещества 1, снабженный манипулятором линейного перемещения в виде суппорта, блоком установки обрабатываемой детали 2 с приводом вращения детали вокруг ее продольной оси, наращиваемый на деталь слой материала - 3, рычаг 4, установленный под инструментом для газотермического напыления слоя вещества 1 и фрикционным соединением, связанный с осью 5, которая механически связана с рамой инструмента для газотермического напыления слоя вещества 1, копир 6, оптическая шторка 7, установленная на копире 6, блок фотодиодов 8 и источник света 9, которые механически соединены с рамой инструмента для газотермического напыления слоя вещества 1, вычислительный управляющий блок 10, индикатор положения копира 11, индикатор касания копира 12, механический привод 13 рычага 4, датчик углового положения 14 детали 2, элементы выборки-хранения информации 15, 16.
Предлагаемая полезная модель осуществляют следующим образом.
В блок установки обрабатываемой детали с приводом вращения детали 2 вокруг ее продольной оси устанавливают линейный цилиндрический физический объект, например, коленчатый вал для нанесения на его шейки слоя вещества.
Включают электрическое питание элементов устройства.
Копир 6 полностью свободен, шторка 7 находится в крайнем верхнем положении по фиг. 1, фотодиоды в блоке 8 полностью освещены источником света 9 и пропускают максимальный в предлагаемом конструктивном исполнении электрический ток. С помощью механического привода 13 поворачивают рычаг 4 относительно оси 5 до момента, когда после касания копиром 6 детали 2 шторка 7 частично перекрывает правый фотодиод блока 8, в результате ослабления освещения этот фотодиод пропускает меньший, чем исходный, электрический ток. Начальный момент ослабления освещения этого фотодиода фиксирует вычислительный управляющий блок 10, и вырабатывает сигнал индикации, подавая сигнал на светодиод индикатора касания копира 12. В начальный момент свечения светодиода индикатора касания копира 12 вращение механического привода 13 прекращают. Копир 6 установлен в исходное положение.
Если в процессе установки детали 2 она касается копира 6 и отгибает его вниз так, что копир 6 упирается в рычаг 4, то рычаг 4 преодолевает фрикционное усилие его механической связи с осью 5 и проворачивается на оси 5 до момента, пока механическое воздействие рычага 4 на копир 6 в месте соприкосновения копира 6 с деталью 2 ослабнет. Жесткость копира 6 выбрана так, что усилие, которое передается от него рычагу 4, существенно меньше усилия, необходимого для преодоления фрикционного усилия механической связи между рычагом 4 и осью 5. Поэтому рычаг 4 далее не перемещается, копир 6 остается относительно рычага 4 в крайнем нижнем по фиг. 1 положении. После этого копир 6 устанавливают в исходное положение как описано выше.
Между деталью 2 и копиром 6 с противоположной инструменту для газотермического напыления слоя вещества 1 стороны вводят измерительный щуп, соответствующий толщине подлежащего нанесению покрытия. При этом шторка 7 перемещается вниз по фиг. 1, освещенность фотодиодов 8 от источника света 9 изменяется. Устанавливается определенная положением шторки 7 электрическая проводимость фотодиодов 8. Соответствующий уровень электрического сигнала нажатием кнопки блока 10 фиксируют в элементе выборки-хранения информации 15.
В вычислительном управляющем блоке 10 включают режим нанесения покрытия. При этом деталь 2 вращается, инструмент для газотермического напыления слоя вещества 1, а также механически связанные с ним рычаг 4, ось 5, копир 6, оптическая шторка 7, блок фотодиодов 8 и источник света 9, механический привод 13 оси 5 перемещаются вдоль оси детали 2, инструмент для газотермического напыления слоя вещества 1 наносит покрытие.
По мере нанесения слоя покрытия копир 6 перемещает шторку 7 вниз по фиг. 1, освещенность фотодиодов 8 от источника света 9 изменяется, соответствующая электрическая проводимость фотодиодов 8 с периодом 2-6 сек (немного большим, чем период прохода инструмента для газотермического напыления слоя вещества 1 вдоль обрабатываемой поверхности детали), фиксируется в элементе выборки-хранения информации 16. Эта информация в компараторе элемента выборки-хранения информации 16 сравнивается с текущим сигналом от блока светодиодов 8 с периодичностью 0,01-0,02 сек. Если текущий уровень сигнала меньше, чем зафиксированный в элементе выборки-хранения информации 16, это означает, что толщина покрытия, сформированного в рассматриваемой позиции поверхности детали, превышает заданную. С учетом угла положения между местом отсчета положения точки касания механической системы «копир 6 - деталь 2», а также угла положения детали 2 согласно датчику положения 14, вычислительный управляющий блок 10 вырабатывает сигнал управления на уменьшение подачи порошка при пересечении соответствующей позиции поверхности детали 2 оси инструмента для газотермического напыления слоя вещества 1. И наоборот. Для исключения избыточного регулирования системы вводят пороговое значение дифференцирования сигнала на компараторе элемента выборки-хранения информации 16, ниже которого коррекция подачи порошка не производится.
Диаметр детали 2 влияет на угол отсчета α положения точки касания механической системы «копир 6 - деталь 2». Это обстоятельство корректируют, вводя соответствующую задержку подачи порошка. Например, угол α по фиг. 1 составляет около 80°. При дискретизации угла положения детали 2 в количестве 30 позиций, чего вполне достаточно с учетом стохастического характера формируемого в процессе импульса напыления индивидуального пятна, задержка подачи соответствующей дозы порошка составит: 80*30/360 ≈ 7 позиций. Это число вводят в вычислительный управляющий блок управления 10 перед включением режима нанесения покрытия. В любом варианта технического решения устройства угол рассчитывают α, исходя из длины рычага 4, положения оси 5 относительно оси детали 2, диаметра детали 2.
За счет применения компаратора элемента выборки-хранения информации 16 достигается равномерная по диаметру детали 2 и ширине обрабатываемой поверхности толщина покрытия. Текущую толщину наносимого покрытия индицирует блок светодиодов 11, уровень свечения которых соответствует уровню освещения фотодиодов 8.
В процессе работы наступает момент, когда во всех позициях поверхности обрабатываемой детали 2 нанесенный слой материала соответствует заданной толщине при установке щупа. Как только текущий электрический сигнал на входе компаратора элемента выборки-хранения информации 15 в течение 2-3 сек станет меньше зафиксированного перед началом работы в элементе выборки-хранения информации 15, это означает достижение заданной толщины нанесенного слоя, и вычислительный управляющий блок 10 подает сигнал отключения режима нанесения покрытия.
Газотермическое нанесение заданного слоя вещества на линейный цилиндрический физический объект закончено.
Использование новых элементов: копира 6, оптической шторки 7, блока фотодиодов 8, индикатора положения копира 11, индикатора касания копира 12, механического привода 13 оси 5, элементов выборки-хранения информации 15, 16 позволяет
повысить точность измерения толщины наносимого покрытия, поскольку плечо шторки 7 на рычаге 4 длиннее плеча образованного местом присоединения копира 6 к рычагу 4 и место касания копиром 6 детали 2; уменьшить затраты времени на выполнение технологического процесса наращивания толщины линейного физического объекта; повысить точность и надежность выполнения заданной толщины покрытия,
т.к. предложенная простая оптоэлектронная механическая система контроля наращивания диаметра детали 2 имеет малый люфт за счет фрикционного соединения рычага 4 с механическим приводом 13 и осью 5, и жесткого соединения рычага 4 и копира 6, простой алгоритм преобразования электрического сигнала фотодиодов 8 в сигнал управления инструментом для газотермического напыления слоя вещества на линейный цилиндрический физический объект, обеспечена изоляция оптических элементов 8, 9 устройства от зоны переноса летучих продуктов газотермического процесса напыления.