Контроль и диагностика параметров технологического процесса и КШМ в ГПС

Перевертов В.П.

КОНТРОЛЬ И ДИАГНОСТИКА ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И КШМ В ГПС

Основным техническим базисом для проведения контроля параметров технологического процесса и горячештамповочного модуля (комплекса) являются информационно-измерительные системы, представляющие совокупность различного типа датчиков и устройств, объединяемых в одно целое - систему контроля на основе единого метрологического, информационного и программного обеспечения и обладающих необходимой для получения достоверных результатов степенью системной совместимости друг с другом.

В общем случае получение информации состоит из следующих этапов.

1. Первичное измерительное преобразование физического (неэлектрического) параметра в электрический сигнал (датчики).

2. Вторичное преобразование информативной составляющей электрического сигнала к виду, удобному для последующей регистрации и обработки (сопутствующая аппаратура для датчиков, фильтры, модуляторы, устройства) .

3. Предварительная обработка и регистрация результатов измерения (функциональные и масштабные преобразователи, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), специализированные вычислительные устройства, регистраторы и накопители информации в аналоговом и цифровом виде).

4. Конечная обработка и получение результатов для передачи в системы диагностики, принятия решений и прогнозирования, оперативного управления.

Первые три этапа составляют процесс сбора информации о параметрах ГПМ ОМД, последний - обработку.

Сбор информации может осуществляться с помощью устройств контроля, которые подразделяются на: 1

датчики непосредственного получения информации, например, концевые выключатели и сигнализаторы предельных значений и т.д.; 2 измерительные функциональные преобразователи (датчики), на пример, преобразователи параметров измерений, преобразователи вида сигналов и т.д.

Датчик преобразует измеренную величину в отображаемый сигнал, а преобразователь, отображаемый сигнал в выходной. Выходной сигнал в сопрягаемых устройствах единой измерительной системы является одновременно и принятым унифицированным сигналом. Преобразование в требуемый унифицированный сигнал может происходить в несколько ступеней. При этом удлиняется измерительная цепь и увеличивается количество возможных источников помех. Применение инвариантных волоконно-оптических измерительных функциональных преобразователей, позволит повысить точность, стабильность измерений (рис. 1). Ввод результатов измерения в систему контроля может производиться непрерывно или периодически (с постоянной или переменной частотой).

В некоторых случаях возможен разовый опрос, например, ввод результатов измерений по определению химсостава проката перед резкой на мерные заготовки (заготовительный модуль).

в) г)

Рис. 1. Волоконно-оптические датчики (функциональные преобразователи)перемещений, усилий, деформаций ВП: а) угловых; б) линейных; в) последовательное соединение световодных датчиков с коэффициентом передачи Ф; г) физическая модель чувствительного элемента волоконно-оптического датчика

Частота опроса ограничивается скоростью преобразования в АЦП, быстродействием микропроцессора и продолжительностью последующей обработки введенной информации. Наиболее распространенная частота опроса составляет 8-100 Гц. В некоторых случаях частота опроса зависит от величины показателя работоспособности (опрос с переменной частотой). Это вызвано тем, что по мере износа штампового инструмента размеры поковки приближаются к зоне риска, т.е. к нижней границе допуска. Изменение частоты опроса (частоты измерений) целесообразно тогда, когда скорость изменения показателя работоспособности растет по мере приближения к границам зоны риска. Организация опроса зависит от вида контроля. Так для контроля, не зависящего от обрабатываемой заготовки и осуществляемого всегда при работе модуля, применяется отдельная программа контроля, постоянно хранящаяся в памяти системы контроля.

При контроле, определяемом технологией обработки конкретной заготовки (поковки), периодичность измерений должна задаваться программой контроля, составленной для данного изделия.

Наибольшее распространение получили следующие виды контроля:

1) контроль заготовки (температура, масса, химический состав и т.д.);

2) контроль состояния штампового инструмента (износ, температура нагрева штампов, размеры и т.д.);

3) контроль поковки;

4) контроль положения заготовки;

5) контроль системы диагностического управления (СДУ) КШМ, ГПМ.

В тех случаях, когда не может быть получена необходимая частота измерения, применяют метод аппаратного сравнения аналоговых величин. При этом методе сравнение с эталоном выполняется вне микропроцессора. Процессор формирует код эталона для получения на выходе цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) эталонного (опорного) напряжения Поп., которое подается в схему сравнения. При достижении ии > Цоп, где Пи - измеренное напряжение, поступающее от датчика, схема вырабатывает сигнал отклонения от нормы. Поступающий на соответствующий вход процессора сигнал обрабатывается программой прерывания. Данный метод используется в известных системах управления ВП.

При разработке специализированных систем контроля часто объединяются с первыми также и средства обработки, особенно если результаты испытаний достаточно представлять только в алфавитно-цифровой форме, что является характерным для операций контроля и диагностирования. Во многих случаях оценку параметров ГПМ ОМД необходимо проводить одновременно в режиме проведения измерений.

Общую задачу обработки измерений параметров ВП и ГПМ(К) на его основе условно можно разбить на три этапа.

1. Первичная обработка. Включает в себя нормировку измерений, приведение к единой выбранной системе отсчета, первичную статистическую обработку, фильтрацию и т.д., т.е. цель первого этапа получение первичных результатов по известным стандартным методикам

2. Идентификация модели измерений. Этот этап определяет параметры и модель канала измерений, т.е. устанавливает функциональную связь между количественными значениями измеряемой величины и аргументом

2,- = В

где 2 - значение измерения, х - аргумент, г - ошибка измерения, В - оператор функциональной связи, у - искомый параметр.

3. Идентификация модели канала динамики. Этот этап определяет параметры и модель канала динамики, т.е. устанавливает функциональную связь между оценкой значения искомого параметра, измерением и аргументом

л

у = Л(г, х,8) ,

Л

где у - оценка искомого параметра, 8 - ошибка неточности значения функциональной зависимости, А

- оператор функциональной связи.

Контроль (оценка) достоверности должен определять доверительность исходных данных (параметров). Он заключается в проверке наличия возможных ошибок в аппаратуре, в контроле очевидных ошибок. Например, дефектов датчиков, грубых ошибок измерений. Причинами возникновения ошибок могут являться как долговременные явления (обрыв проводников, старение датчиков, загрязнение контактов и т.д.) так и кратковременные (импульсы помех в линиях связи, обусловленные индуктивными и емкостными наводками, короткое замыкание и т.д.).

В обычных устройствах индикации высокочастотные составляющие импульсов помех подавляют за счет инерционности, свойственной механическим устройствам. Кратковременные помехи при этом остаются незамеченными. Однако высокочастотные напряжения помех воспринимаются за счет быстрого считывания измеренных значений. При этом ошибки аппаратуры могут подавляться и не проявиться при повторном опросе.

Система контроля (СК) должна разрабатываться по функционально-модульной структуре, для которой должно быть характерно четкое разделение программных и аппаратных уровней. Модульная структура позволяет легко добавлять функции к системе, а также изменять или удалять часть системы.

В зависимости от места в структуре СУ ГПМ ОМД вытекают требования к датчикам (функциональным преобразователям), основными из которых являются:

бесконтактность, инвариантность преобразования разнородных физических величин в единую физическую величину, связанную с входными параметрами определенной функциональной зависимостью;

универсальность - воспроизведение практически любых функциональных зависимостей без изменения конструкции преобразователя, а также возможность применения волоконно-оптических элементов в качестве первичного преобразователя-датчика;

точность, повторяемость и стабильность воспроизведения заданной функции в широком диапазоне изменения входных параметров; надежность; быстродействие;

технологичность конструкции; чувствительность к информативным параметрам; габаритно-массовые и эксплуатационные показатели;

унификация; работа в реальном режиме времени; минимизация затрат.

Характеристики точности и быстродействия являются основными характеристиками датчиков (устройств), определяющими его качество. Если задача повышения точности является издавна традиционной, то требование повышения быстродействия, возможности работы в реальном режиме времени - отличительная черта современного этапа развития средств контроля.

В условиях ГПС быстродействие оказывается, иногда, даже более важным параметром, чем точность, так как часто результат функционального преобразования необходимо получить с фиксированной, наперед заданной точностью, но через минимально возможный отрезок времени. Например, быстродействие исполнительного органа КШМ (ВП), контроль температуры, массы, химсостава заготовки перед штамповкой, контроль зазора в направляющих ползуна и пары винт-гайка и т.д.

В наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют цифровые бесконтактные датчики, не требующие тарировки в процессе работы и не имеющие изнашиваемых частей (рис. 2). Диагностирование состояния инструмента (температура, деформация, износ) позволяет предупредить поломку инструмента и выход размеров заготовки за пределы поля допуска. По температуре инструмента можно судить о стабильности процесса деформирования и макроструктуре поковок и предупредить возможную потерю устойчивости системы (норма, риск, отказ).

Иеточ.

тестов

сигнал

кшм

ударного действия

Рис.2. Обобщенная структурная схема первичного функционального преобразователя

Контроль энергетических и кинематических параметров подвижных частей кузнечной машины дает возможность определить запасенную энергию и усилие деформирования. Диагностирование состояния механической системы кузнечной мамины (например, измерение напряжений в станине пресса) может предупредить перегрузку и поломку базовых деталей, а также позволяет косвенно судить о состоянии деформируемой заготовки. Контроль параметров КШМ ударного действия, связан с трудностями обеспечения надежной и безотказной работы датчиков на различных этапах машинного цикла, продолжительность которого составляет несколько долей секунды. Ускорение, которое испытывает ударная масса в начальный период деформирования, может достигать 10 0 0д, что затрудняет установку на ней средств контроля.

Рассмотрим существующие методы и устройства контроля основных параметров КШМ и технологического процесса, которые можно использовать при разработке и создании систем активного контроля и диагностики.

При штамповке на КШМ силовой режим отражает колебания параметров технологического процесса, а по величине изменения усилий деформирования можно судить об отклонении некоторых из них от заданного значения.

Для контроля силового режима, развиваемого кузнечной машиной, используют магнитоупругие датчики, которые служат для контроля динамических нагрузок, с частотами от 1 до 2 кГц и тензодатчики. Точность измерений не превышает 10 % . Метод применяется в основном для научных исследований.

Для измерения кинематических параметров пресса (рис. 3) могут использоваться фотоэлектрические, энергетические, параметрические датчики использующие тот или иной метод измерения.

Выходной код

—V—-Л-1

Фотоэлектрические

Косвенного преобразования

Болометрические

____1_

Датчики

Т

Рис. 3. Классификация методов измерений параметров КШМ

Наибольший интерес представляют бесконтактные датчики измерения. Отсутствие механической связи с подвижными частями пресса повышает их надежность, долговечность при требуемой точности измерений.

Известны бесконтактные датчики измерений перемещений рабочих частей пресса с использованием фотоэлектрического метода измерения, обладающие рядом преимуществ перед контактными.

Для измерения скорости рабочих частей пресса могут использоваться датчики скорости, которые в зависимости от того, какой метод использован при их разработке, подразделяются на контактные (генераторные) и бесконтактные (емкостные, индуктивные, магнитоэлектрические).

Для контроля температуры заготовок, штампового инструмента применяют контактные и бесконтактные способы и устройства.

К контактным относятся различного рода термопары, точность измерения которых достаточно высока. Термопары позволяют контролировать в широком диапазоне температуру нагрева заготовок штамповой оснастки, тепловые деформации инструмента. Однако, низкая стабильность показаний, инерционность не позволяют создавать системы контроля с быстрой обратной связью.

Особый интерес представляют собой устройства бесконтактного контроля температуры с использованием методов радиационной пирометрии.

Из функциональной зависимости (рис. 4) следует, что часть излучения находится в инфракрасной области спектра, другая - в видимой. При измерении необходимо учитывать характеристики пропускания воздуха (рис. 5). При измерении температуры заготовка может облучаться окружающей средой (рис. 6). Суммарное излучение Шс в этом случае будет Шс=Ш+(1-е)Ш' где Ш - спектральное излучение абсолютно черного тела; Ш' - излучение окружающей среды; г - коэффициент лучеиспускания. Влияние г на Шс может быть минимальным при проведении измерений на коротких длинах волн X. В большинстве устройств для контроля температуры принят метод измерения суммарного потока излучения, что вынуждает при измерении вносить поправки.

Рис.4. Зависимость спектральной излучательной способности от длины волны X

Длина волны,

Рис.5. Пропускание измеряемых лучей атмосферой

Рис. 6. Суммарное излучение поверхности с коэффициентом лучеиспускания г

Разработанные на основе этого метода устройства контроля температуры в процессе эксплуатации, недостаточно удовлетворяют требованиям на производстве, предъявляемым к ним. Низкая точность и стабильность показаний, инерционность, сложность тарировки не позволяют создать системы контроля с быстрой обратной связью.

При разработке новых устройств следует уделить особое внимание разделению этих компонентов излучения от объектов и по возможности уменьшить до малых значений. Этого можно достигнуть, используя метод спектрального (цветового) распределения плотности энергии в потоке излучения, или метод измерения интенсивности излучения в узком спектральном диапазоне, который заключается в том, что температура измеряется на строго определенном участке спектрального излучения. Использование этого метода позволит не только измерять температуру на расстоянии и тем самым устранить термическое воздействие на датчик температуры, увеличить срок его службы, но и повысить точность измерения температуры.

Для точного измерения температуры требуются малоинерционные бесконтактные датчики температуры, работающие на определенных участках спектра. Процесс измерения требует взаимодействия излучения с материалом датчика, в результате которого образуется электрический выходной сигнал, подлежащий измерению.

Применяется два типа взаимодействий, соответствующие двум различным типам датчиков: термические и фотонные (квантовые).

У термических датчиков быстродействие относительно мало, постоянная времени у них измеряется миллисекундами, тогда как у фотонных - микросекундами.

Фотонные датчики являются селективными - они реагируют на излучение только в определенных участках спектра. Использование данной особенности позволяет точно и быстро измерить температуру быстро-движущейся или находящейся в штампе пресса (нагревательном устройстве) заготовки. Это позволяет создать системы контроля и диагностики технологических процессов горячей объемной штамповки с обратной связью.

Ответственным элементом при создании как систем управления КШМ, так и ГПМ ОМД является устройство для контроля температуры нагрева заготовок перед штамповкой. От точности измерения, стабильности показаний, надежности и долговечности его работы зависит качество поковок, надежность и стабильность работы как пресса, так и модуля, долговечность штампового инструмента.

Устройства контроля температуры заготовок (типа ИРТ), как правило, работают в следующих условиях: вибрации с ускорениями до 25 д в диапазоне частот 8-90 Гц; ударные нагрузки при длительности 2-20 мл/с; влажность до 80 % при 40 °С; наличие в окружающей среде графитовой пыли высокой концентрации, а так же окалины на горячей заготовке; время непрерывной работы 8-16 ч.

Для работы в этих условиях к ним предъявляются следующие требования.

Допустимая погрешность определения температуры заготовки - 1 %.

Диапазон измерения температуры 7 00-1250 °С.

Обеспечивать работоспособность при температуре 5-55 °С.

Иметь выходы на системы диагностики и управления энергией КШМ.

Иметь регулируемый уровень по заданному температурному диапазону штамповки с визуальным контролем.

Обеспечивать наработку на отказ не менее 1000 ч с устранением неисправности в течение 15-20 мин.

При оценке каждого метода контроля массы объема заготовок необходимо учитывать, что суммарная погрешность дозирования не должна превышать 1,5-2,5 %. Вследствие этого точность датчика должна быть не ниже ± 0,5 %.

Известны устройства, обеспечивающие дозирование массы (объема) заготовки с точностью ± 1,0 %

(рис. 7, 8). Использование метода вихревых токов позволяет контролировать химический состав материала заготовки, его твердость, структурное состояние, внутренние напряжения, дефекты в поковках и размеры их сечений. Внутренние дефекты в поковках определяют также ультразвуковым методом.

Рис. 7. Устройство дозирования объема заготовок с гидравлическим датчиком

Рис. 8. Устройство для бесконтактного контроля массы и автоматической сортировки металлических штучных заготовок: 1 - индукционный чувствительный элемент; 2 - измерительный блок; 3 - усилитель; 4

- генератор высокой частоты; 5 - сортировочный управляющий механизм; 6 - блок цифровой индикации; 7 -бункер заготовок

В условиях современного кузнечного производства эффективность технологического процесса в значительной степени зависит от вида применяемой заготовки. Известны случаи, когда экономический эффект автоматизированного технологического процесса сводился на нет из-за применения нерациональной заготовки. В настоящее время подавляющее число поковок штампуют с облоем. На облой расходуется не менее 2 0 % материала, перерабатываемого в кузнечных цехах. Вес облоя у большинства поковок достигает 15-20 %, а у мелких - 50-70 % от веса штампованной детали

Значительная экономия металла может быть получена при переходе от обычной штамповки с облоем на точную штамповку в закрытых штампах. Однако, широкое внедрение штамповки в закрытых штампах без дозирования заготовок по массе (объему) невозможно, так как избыток металла в заготовке влечет за собой чрезмерные удельные давления, интенсивный износ штампов, перегрузку оборудования, снижение точности поковок и т.д.

В последние года для получения относительно точных поковок используют холоднотянутый прокат, а также применяют штампы с компенсаторами. Однако это не обеспечивает экономичного решения проблемы вследствие дороговизны.

Исходя из особенностей технологического процесса точной объемной штамповки, устройства контроля и дозирования массы (объема) заготовок должны удовлетворять следующим основным требованиям:

1) автоматически регулировать длину продвижения прутка для отрезания последующей заготовки на основе результатов контроля массы ранее отрезанных заготовок;

2) производительность должна быть не менее чем у КШМ при высокой стабильности показаний;

3) бесконтактно обеспечивать выходной сигнал в систему контроля, диагностики и управления КШМ;

4) быть универсальным по отношению к различным профилям проката и маркам материала;

5) обеспечивать точность измерения до 2,5 % при массе заготовок до 2 кг, до 1,5 % - у заготовок весом 2-5 кг, до 1 % - у заготовок весом более 5 кг;

6) обеспечивать высокий коэффициент эксплуатационной надежности.

С учетом вышеизложенного, для контроля и диагностики температуры нагрева заготовок перед штамповкой рекомендуется применять устройство типа ИРТ (А.с. 801931, А.с. 1300439, А.с. 1323152, А.с.

1303207), а для контроля и диагностики параметров КШМ рекомендуется применять многофункциональное волоконно-оптическое устройство для контроля максимальной деформации и усилия деформирования кузнечно-штамповочных машин (А.с. 1696914).