Исследование емкостного автогенераторного принципа оценки шероховатости поверхности

А. А. Светлаков, Н. В. Старовойтов // Омский научный вестник. - 2006. - № 7 (43). - С. 106-108.

5. Светлаков, А. А. Обобщенные обратные матрицы: некоторые вопросы теории и применения в задачах автоматизации управления процессами / А. А. Светлаков. - Томск : Изд-во НТЛ, 2003. - 388 с.

6. Ильин, В. А. Основы математического анализа : учеб. для вузов. В 2 ч. Ч. 1 / В. А. Ильин. - М. : ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 648 с.

МАЙСТРЕНКО Андрей Васильевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры

электронных средств автоматизации и управления. СВЕТЛАКОВ Анатолий Антонович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры электронных средств автоматизации и управления. СТАРОВОЙТОВ Николай Владимирович, кандидат технических наук, младший научный сотрудник кафедры электронных средств автоматизации и управления.

Адрес для переписки: maestro67@mail.ru

Статья поступила в редакцию 05.11.2015 г. © А. В. Майстренко, А. А. Светлаков, Н. В. Старовойтов

УДК 620.179.118.7

К. С. ГРЕКОВ Ю. Г. ДОЛГАНЕВ А. В. КОСЫХ

Омский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ

ЕМКОСТНОГО АВТОГЕНЕРАТОРНОГО ПРИНЦИПА ОЦЕНКИ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ

В статье анализируются уже имеющиеся принципы оценки качества поверхности, а также предложен новый принцип на основе автогенератора с дополнительной емкостью, позволяющий оценивать шероховатость поверхности в соответствии с современным состоянием научных исследований. Проведен анализ вариантов применения предлагаемого принципа, а также исследованы результаты компьютерного моделирования, по которым сделаны выводы о применимости принципа.

Ключевые слова: автогенератор, шероховатость, дополнительная емкость, качество поверхности, емкостный датчик.

Введение. Долговечность работы деталей машин и приборов напрямую связана с качеством поверхностного слоя деталей, которое формируется в основном на финишных операциях механической обработки. Традиционные методы финишной обработки (шлифование, полирование и притирка) не всегда обеспечивают оптимальное качество поверхности обрабатываемой детали. При использовании абразивного материала его частицы внедряются в обрабатываемую поверхность, происходит шаржирование поверхности. После операции шлифования на поверхности изделия остаются следы от воздействия абразивной части обрабатывающего инструмента, микротрещины и т.д., которые не устраняются последующим полированием [1]. Подобные дефекты поверхности являются концентраторами напряжений и с них начинается разрушение поверхностного слоя деталей при эксплуатации, что снижает надежность деталей машин и приборов.

Состояние обработанной поверхности зависит от нескольких факторов: от свойств обрабатываемого материала; способа обработки (точение, фрезерование и т. д.); режимов обработки (скорость

резания, подача, глубина резания); жёсткости технологической системы; геометрических параметров инструмента; вида и способа подачи смазочно-ох-лаждающей жидкости и др. [2].

Методы оценки состояния поверхности. Оценка состояния поверхности изделий сопряжена со сложностями, диктуемыми разнообразной формой изделия: плоскость, цилиндр, шар, сложноли-нейная поверхность. Рассмотрим, какие существуют методы для оценки состояния поверхности.

Сравнительный бесконтактный метод. Способ основан на сравнении измеряемой поверхности с образцами шероховатости, регламентированными ГОСТ 9378-93 [3]. Стандарт распространяется на образцы шероховатости поверхности, предназначенные для сравнения визуально и на ощупь с поверхностями изделий, полученными после обработки.

Достоинством этого метода является простота и доступность. К недостаткам можно отнести: большое время для оценки состояния поверхности; качественный, а не количественный характер оценки; отсутствие информации о параметрах и дефектах неровности; необходимость применения дополнительного оборудования для более точной оценки

Рис. 1. Испытуемая схема автогенератора с кварцевым резонатором для исследования частоты генерации

Рис. 2. Схема генератора импульсов

(сравнительные микроскопы); полностью зависит от квалификации проверяющего — низкая точность; затруднительна оцифровка полученных данных; применяется при единичном производстве

Бесконтактный оптический метод. Оптический метод представляет собой измерение параметров шероховатости бесконтактными оптическими приборами [4], действие которых основано на принципе одновременного преобразования профиля поверхности, предназначенные для измерения параметров шероховатости поверхности. Согласно ГОСТ9847-79 применяются следующие типы оптических приборов: ПТС, ПСС, МИИ, МПИ [5]. Контролируемая

поверхность является идеально ровной, если в окуляре применяемого прибора щель будет иметь вид светящейся прямой линии. Если на поверхности имеется канавка, то в плоскости окуляра наблюдается искривленная светящаяся линия [6].

Хотя современные микроскопы и используемые оптические приборы имеют довольно высокое качество отображения профиля поверхности, данный способ содержит в себе ряд существенных недостатков: узкая специализация данного метода (сложности оценки связанные с формой изделия или детали); оптическая постоянная должна быть неизменной на всем протяжении исследуемого

Рис. 3. Коэффициент передачи при последовательном соединении емкости — С=1мкФ; m2 — С=100 пФ)

Рис. 6. Коэффициент передачи S21 при параллельном соединении емкости — С=1мкФ)

Рис. 4. Коэффициент передачи при последовательном соединении емкости — С=100 пФ; m2 — С=5 пФ; m3 — С=1 пФ)

Рис. 7. Коэффициент передачи S21 при параллельном соединении емкости — С=10 нФ; m2 — С=5 нФ; m3 — С=1 нФ)

Рис. 5. Коэффициент передачи S21 при последовательном соединении емкости — С=100 фФ; m2 — С=60 фФ; m3 — С=40 фФ; m4 — С=20 фФ; m5 — С=1 фФ)

Рис. 8. Коэффициент передачи S21 при параллельном соединении емкости — С=1пФ)

участка поверхности; вертикальный диапазон измерений очень низкий и ограничен длиной волны испускаемого света; высокая стоимость оборудования для проведения анализа и сопоставления; необходимо учитывать коэффициент отражения поверхности;

Контактный (щуповой) метод. Большое распространение для определения параметров шероховатости поверхности контактным методом получили щуповые приборы, работающие по методу ощупывания поверхности иглой [7]. Опускаясь во впадины, а затем поднимаясь на выступы, игла колеблется относительно головки соответственно огибаемому профилю. Механические колебания иглы преобразуются, как правило, в электрические.

Снятый с преобразователя полезный сигнал усиливают, а затем измеряют его параметры. В щуповых приборах для измерения поверхности применяются индукционные, индуктивные, электронные и пьезоэлектрические преобразователи механических колебаний иглы в электрические сигналы.

Описанный выше метод является самым точным из всех исследованных, но также имеет некоторые недостатки: влияние на измерение особенностей щупа, связанных с его размером, формой, проскальзыванием, нагрузкой на поверхность, износом. Помимо этого, щуповой метод имеет низкую скорость измерения.

Емкостный автогенераторный принцип оценки параметров шероховатости поверхности. Наи-

Рис. 9. Спектр на выходе схемы с подключенной параллельно кварцевому резонатору емкостью A) С=100пФ; B) C=1пФ; С) С=0,8пФ

Рис. 10. Спектр на выходе схемы с подключенной последовательно кварцевому резонатору емкостью A) С=425пФ; B) C=300пФ; С) С=10пФ

более перспективным, на наш взгляд, может быть принцип, основанный на использовании кварцевого автогенератора с включенной измерительной емкостью в эквивалентную схему кварцевого резонатора [8]. При этом необходимо определиться в способе

увеличения информации о состоянии поверхности. Это может быть ЭЛТ (электронно-лучевая трубка), как указано в патенте. Устройство для измерения шероховатости электропроводных изделий содержащее емкостный преобразователь [9], образуемый

Исследование влияния последовательно подключенной емкости в цепь автогенератора на частоту генерации

Исследование влияния параллельно

подключенной емкости в цепь автогенератора на частоту генерации

S 30 --

20 --

-§- 10

о

100pF

10pF lpF 0,lpF lOfF IfF

Рис. 11

15,1 15,1 15,1 15,1 15,1 15,1 14,9 13Д 30 30 30 30 30 Частота F, МГц

Рис. 12

3.

сi

г 1,5

Исследование влияния последовательно

подключенной емкости в цепь автогенератора на его спектр и мощность основной частоты генерации

3pF

lpF

I0,9pF

I

0.8pF

I

30,3 30,14 30.18 30,32 30,53 30,54 30,56 Частота F, МГц

Исследование влияния параллельно подключенной емкости в цепь автогенератора на его спектр и мощность основной частоты генерации

Рис. 13

Рис. 14

изделием и электродом, и блок преобразования емкости в электрический сигнал, подключаемый к выходу преобразователя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, электрод выполнен в виде электронно-лучевой трубки с диэлектрическим экраном, а к блоку преобразования емкости подключен ее катод.

Более продуктивной модификацией описанного выше метода является применение емкостного датчика — конкурента ЭЛТ, который может быть применен для исследования состояния поверхности изделий с любой формой и кривизной. Этот метод работает по принципу традиционного ощупывания поверхности [10]. Щуп с площадью, исключающей «залипание» во впадинах микронеровностей и содержащий обкладку конденсатора конечной площади, позволяющей модулировать спектр автогенератора в соответствии с формой профиля. Для того чтобы исследовать влияние емкостного датчика на схему автогенератора с кварцевым резонатором, воспользуемся системой автоматического моделирования ADVANCED DESIGN SYSTEM 2011.10 от компании Agilent Technologies. Изменяя значение емкости, проследим ее влияние на энергетический спектр собранной схемы и изменение частоты генерации (коэффициента передачи схемы S21) (рис. 1). Генератор импульсов собран на основе биполярного n-p-n транзистора и имеет вид, показанный на

рис. 2. В схеме применяется кварцевый резонатор, он работает на частоте 30 МГц и имеет добротность 50000. Далее будут представлены результаты моделирования с двумя вариантами подключения емкости в цепь автогенератора. Результаты представлены на рис. 3 — 8.

Для следующего исследования необходимо воспользоваться методом гармонического баланса (HB Simulation) [11]. Полученные данные представлены на рис. 9—10. Все результаты измерений представлены на рис. 11 — 14.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Отражена классификация имеющихся на сегодняшний день методов контроля качества поверхности и выявлены недостатки этих методов (узкая специализация, скорость сканирования, недостатки в критериях оценки).

2. Предложен метод контроля качества поверхности, учитывающий недостатки имеющихся методов, а также исследованы критерии, по которым возможно детектирование изменений профиля исследуемой поверхности за счет включенной в цепь автогенератора с кварцевым резонатором дополнительной емкости. В качестве таковой предполагается использование емкостного датчика.

3. Из результатов моделирования можно сделать вывод о том, что изменения значения емкости

оказывают влияние на энергетический спектр автогенераторной системы сканирования поверхности (рис. 9-10). Эту информацию возможно применять для достаточно точной оценки любых геометрических и физико-механических неровностей поверхности деталей.

4. Перспективы использования автогенераторного метода оценки качества поверхности связаны с проведением сравнительных исследований с другими подобными системами.

Библиографический список

1. Проблемы надежности и ресурса в машиностроении / Под ред. К. В. Фролова. - М. : Наука, 1986. - 248 с.

2. Контроль, прогнозирование и повышение надежности работы газовых промыслов и подземных газохранилищ /

B. И. Бирюков, В. Н. Виноградов [и др.]. - М. : ВНИИЭгаз-пром, 1984. - 46 с. - (Обзор. информ. Сер. Транспорт и хранение газа, вып. 4).

3. ГОСТ 9378-93. Образцы шероховатости поверхности (сравнение). - Взамен ГОСТ 9378-75 ; введ. 1997-01-01.01. -М. : Изд-во стандартов ИПК, 1996. - 12 с.

4. Кобенко, В. Ю. Определение качества поверхности бумаги методом фрактального анализа / В. Ю. Кобенко,

C. З. Ихлазов, А. В. Голунов // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. - 2011. - № 3 (103). -С. 330-335.

5. ГОСТ 9847-79. Приборы оптические для измерения параметров шероховатости поверхности. Типы и основные параметры. - Введ. 1981-01-01. - М. : Изд-во стандартов ИПК, 1979. - 8 с.

6. Назаров, Ю. Ф. Методы исследования и контроля шероховатости поверхности металлов и сплавов / Ю. Ф. Назаров,

А. М. Шкилько, В. В. Тихоненко, И. В. Компанеец // Физическая инженерия поверхности. — 2007. — №3-4. — С. 207 — 216.

7. J. F. Song and T. V. Vorburger, Stylus profiling at high resolution and low force, Applied Optics, Vol. 30, Issue 1, pp. 42-50 (1991).

8. Мальков, О. В. Измерение параметров шероховатости поверхности детали / О. В. Мальков, А. В. Литвиненко. — М. : Изд-во МГТУ им. Баумана, 2012. — С. 42 — 58.

9. Пат. 1566629 Российская Федерация, МПК G01B 7/00. Устройство для измерения шероховатости электропроводных изделий / Греков К. С., Долганев Ю. Г. ; заявитель и патентообладатель Греков К. С., Долганев Ю. Г. — № 2015118952/28 ; заявл. 20.05.2015 : опубл. 10.11.2015, Бюл. № 31. — 1 с.

10. А. с. 781557 СССР, МКИ G01B7/34. Устройство для измерения шероховатости электропроводных изделий / Ю. Г. Долганев, В. Н. Кулагин. — № 2707828/25-28 ; за-явл.05.01.79 ; опубл. 23.11.80.

11. Глава 1. Основные виды анализа и методика их применения [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://cmpo. vlsu.ru/reason/wp8/ADS_RUS/Chapter1_Section5_Theory.htm (дата обращения: 06.04.2014).

ГРЕКОВ Константин Сергеевич, аспирант кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики» (РТУ и СД).

Адрес для переписки: stanleyipkiss87@gmail.com ДОЛГАНЕВ Юрий Григорьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры РТУ и СД. Адрес для переписки: dolganev47@mail.ru КОСЫХ Анатолий Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой РТУ и СД, ректор.

Статья поступила в редакцию 08.12.2015 г. © К. С. Греков, Ю. Г. Долганев, А. В. Косых

УДК 621.372.412

А. О. ЛОЖНИКОВ

Омский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ ТД СРЕЗА С УЛУЧШЕННОЙ МОНОЧАСТОТНОСТЬЮ

Показано, что модифицированная конструкция пьезоэлемента кварцевого резонатора ТД среза позволяет ослабить не только температурную моду, но и ангармонические колебания основной и температурной мод, что позволяет создавать схемы автогенератора повышенной надежности без опасности возбуждения неосновного колебания. Исследования проведены в широком интервале рабочих температур и диапазоне частот.

Ключевые слова: ТД срез, мода B, мода С, кварцевый резонатор, двухпово-ротный срез, моночастотность.

Кварцевые генераторы широко используются в качестве вторичных эталонов частоты в различных радиотехнических устройствах и системах. В случаях, когда требуется стабильность частоты генератора лучше, чем Ы0-8, используют кварцевые резонаторы двухповоротных срезов, в частности,

резонаторы ТД среза. Эти резонаторы имеют ряд преимуществ перед резонаторами одноповоротных срезов (АТ, ВТ), например, малую чувствительность к вибрациям и скачкам температуры. Однако у этих резонаторов при стандартной конструкции пьезоэлемента, когда два одинаковых электрода