ОПТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ПРОИЗВОДСТВА ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ
ОПТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ …
УДК 621.746
ОПТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ПРОИЗВОДСТВА ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ
В.И. Маслов, А.И. Арустамян, В.Ф. Минаков
Выполнены экспериментальные исследования спектральных характеристик отражения объекта позиционирования (ковша с расплавленным металлом) спектрофотометром фирмы X-Rite (Швейцария), доказана возможность представления спектральной характеристики линейно-гармоническими функциями при обеспечении метрологического класса точности. Ключевые слова: качество, поршневые кольца, спектральная характеристика.
Введение. Постановка задачи Жесткая конкуренция на мировых и внутренних рынках продукции машиностроения требует повышения качества выпускаемых отечественным производством изделий. Мировые лидеры машиностроения после глобального кризиса 2008 г. ориентируются на перманентное внедрение инновационных решений, в том числе – технологических. Именно такой подход позволяет им обеспечивать высокое качество продукции, а соответственно – ее конкурентоспособность. Для достижения стабильности показателей качества продукции на предприятиях машиностроения внедряется система всеобщего управления
16 Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики,
2012, № 2 (78)
В.И. Маслов, А.И. Арустамян, В.Ф. Минаков
качеством (TQM, Total Quality Management). В этой связи актуальным становится обоснование и принятие оптимальных решений по совершенствованию управления качеством продукции с целью снижения себестоимости ее производства на каждом конкретном предприятии и производстве.
Объектом исследования является машиностроительная продукция – поршневые кольца, широко применяемые в двигателях внутреннего сгорания автомобилей, тракторов и т.д. Развитие производств машиностроительной продукции приобретает особую актуальность в связи с вступлением России в ВТО. Для машиностроительной промышленности самым массовым способом получения заготовки деталей является литье из чугуна, стали, цветных металлов. Важнейшей технологической операцией в процессе изготовления отливок является заливка расплавленного металла в заливочные формы. От эффективности управления процессом заливки в части обеспечения стабильности требуемых параметров (температуры, скорости заливки, высоты струи металла), в конечном счете, зависит качество продукции и ее себестоимость.
В существующей технологии литья заготовок поршневых колец соблюдение требуемых параметров заливки (высота струи расплавленного металла, весовая скорость заливки) производится заливщиком металла путем органолептического контроля (визуально), что вносит человеческий фактор в технологический процесс. В зависимости от физического и эмоционального состояния заливщика находится и стабильность параметров заливки. В частности, при изготовлении поршневых колец требуемая высота струи заливаемого металла от кромки верхней опоки до носка ковша с расплавленным металлом составляет 225 мм (с допуском отклонений в 25 мм). При отклонении высоты позиционирования ковша в сторону повышения происходит разрушение струей металла песчаной формы, засасывание воздуха окружающей атмосферы, вытекание заливаемого металла из заформованной стопки, что, в конечном итоге ведет к получению некачественной или даже дефектной продукции.
Если же высота струи меньше требуемой величины, то давление заливаемого металла в формы недостаточно, результатом чего являются дефекты, неспаи, газовые раковины, неметаллические включения в виде частиц песчаной формы. Такая нестабильность технологического процесса также негативно сказывается на качестве продукции и ее себестоимости.
На рис. 1 представлен процесс позиционирования ковша при литье металла и органолептическом его контроле на основе восприятия органами зрения заливщика с превышением допустимой высоты. Виден характерный дефект – разрушение заливочной формы и вытекание металла.
Рис. 1. Завышенное позиционирование ковша с металлом относительно заливочной формы и ее разрушение
Задачи управления параметрами производственных процессов методами дистанционного неразрушающего контроля состава, наличия, позиционирования деталей, узлов, машин, материалов и других объектов являются весьма распространенными. Такой контроль является неотъемлемой частью конвейерных производств, а также систем управления движущимися и удаленными объектами, механическое воздействие контактными датчиками на которые исключено по технологическим условиям (температурным для расплавленных металлов, прочностным для высокотехнологичных производств микроэлектроники, габаритным для нанотехнологий и т.п.).
Для решения поставленной задачи выполнен анализ известных способов дистанционного контроля спектральных характеристик объектов в технологических процессах [1, 2]. Он позволил установить, что существующие технологические решения основаны на регистрации спектральных характеристик, т.е. измерении зависимостей интенсивности отраженных сигналов (или излучений) от длины волны в диапазоне от 200–400 до 800–1000 нм. Такой способ позволяет решать поставленную задачу, однако стоимость спектрографов, спектрометров, спектрофотометров, позволяющих измерять интенсивность спектров
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2012, № 2 (78)
17
ОПТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ …
столь высока, что затраты на их приобретение и установку в технологических процессах делает производство экономически неэффективным, а продукцию – неконкурентоспособной и неликвидной.
Задача настоящей работы – совершенствование системы управления качеством производства поршневых колец (для снижения его себестоимости) методом оптического контроля позиционирования ковша с расплавом при заливке форм.
Метод решения задачи
Предлагается более экономичный способ представления спектральных характеристик объектов и характеристик чувствительности датчиков. Для обоснования способа было выполнено измерение интенсивности отраженного оптического сигнала для образца (объекта, выполненного из чугуна) – рис. 2. Экспериментальные измерения проведены спектрофотометром производства швейцарской фирмы X-Rite, модель Colormunki, с использованием программной оболочки DispCal GUI под управлением ОС Windows.
Интенсивность, о.е. 1
Спектр образца
0,8
0,6
0,4
0,2
0 400
450 500 550 Экспериментальные данные
600 650
700 750
ДИлнитнеансвиовлнноыс,тнь,мо.е.
Теоретическая кривая
Рис. 2. Разложение спектральной характеристики образца в линейно-гармонический ряд
Спектральную характеристику fэ(λ) предлагается представлять результатами разложения в ряд Фурье. Однако, учитывая несовпадение значений интенсивности отражения в начале и в конце диапазона длин
волн (min, max), дополнительно предлагается введение линейной функции длины волны с коэффициентом b = [ fэ(λmax) – fэ(λmin)]/( max–min). После вычитания такой линейной функции из экспериментальных данных спектра объекта fэ(λ)
получаем отвечающую условиям Дирихле функцию
fэ,п(λ) = fэ(λ) – bλ, которую можно представить гармоническим рядом Фурье в функции от аргумента x на периоде 2, соот-
ветствующем интервалу max–min,:
x = ω λ = 2·π· λ λmin
λmах λmin
,
f(x) = a0 + ak'· cos kx + ak''·sin kx ,
k 1
где
a0
1 2π
π π
f (x)·dx ;
ak'
1 π
π π
f (x)·cos(kx)·dx
k = 1, 2,.. ;
ak''
1 π
π -π
f
( x)·sin(kx)·dx
,
k
= 1,
2,...
.
Аналогичное разложение спектральных характеристик чувствительности датчиков (например, фо-
тодиодов), позволяет производить их выбор по критерию допустимости погрешности:
ak´ – ak´,д
УДК 621.746
ОПТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ПРОИЗВОДСТВА ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ
В.И. Маслов, А.И. Арустамян, В.Ф. Минаков
Выполнены экспериментальные исследования спектральных характеристик отражения объекта позиционирования (ковша с расплавленным металлом) спектрофотометром фирмы X-Rite (Швейцария), доказана возможность представления спектральной характеристики линейно-гармоническими функциями при обеспечении метрологического класса точности. Ключевые слова: качество, поршневые кольца, спектральная характеристика.
Введение. Постановка задачи Жесткая конкуренция на мировых и внутренних рынках продукции машиностроения требует повышения качества выпускаемых отечественным производством изделий. Мировые лидеры машиностроения после глобального кризиса 2008 г. ориентируются на перманентное внедрение инновационных решений, в том числе – технологических. Именно такой подход позволяет им обеспечивать высокое качество продукции, а соответственно – ее конкурентоспособность. Для достижения стабильности показателей качества продукции на предприятиях машиностроения внедряется система всеобщего управления
16 Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики,
2012, № 2 (78)
В.И. Маслов, А.И. Арустамян, В.Ф. Минаков
качеством (TQM, Total Quality Management). В этой связи актуальным становится обоснование и принятие оптимальных решений по совершенствованию управления качеством продукции с целью снижения себестоимости ее производства на каждом конкретном предприятии и производстве.
Объектом исследования является машиностроительная продукция – поршневые кольца, широко применяемые в двигателях внутреннего сгорания автомобилей, тракторов и т.д. Развитие производств машиностроительной продукции приобретает особую актуальность в связи с вступлением России в ВТО. Для машиностроительной промышленности самым массовым способом получения заготовки деталей является литье из чугуна, стали, цветных металлов. Важнейшей технологической операцией в процессе изготовления отливок является заливка расплавленного металла в заливочные формы. От эффективности управления процессом заливки в части обеспечения стабильности требуемых параметров (температуры, скорости заливки, высоты струи металла), в конечном счете, зависит качество продукции и ее себестоимость.
В существующей технологии литья заготовок поршневых колец соблюдение требуемых параметров заливки (высота струи расплавленного металла, весовая скорость заливки) производится заливщиком металла путем органолептического контроля (визуально), что вносит человеческий фактор в технологический процесс. В зависимости от физического и эмоционального состояния заливщика находится и стабильность параметров заливки. В частности, при изготовлении поршневых колец требуемая высота струи заливаемого металла от кромки верхней опоки до носка ковша с расплавленным металлом составляет 225 мм (с допуском отклонений в 25 мм). При отклонении высоты позиционирования ковша в сторону повышения происходит разрушение струей металла песчаной формы, засасывание воздуха окружающей атмосферы, вытекание заливаемого металла из заформованной стопки, что, в конечном итоге ведет к получению некачественной или даже дефектной продукции.
Если же высота струи меньше требуемой величины, то давление заливаемого металла в формы недостаточно, результатом чего являются дефекты, неспаи, газовые раковины, неметаллические включения в виде частиц песчаной формы. Такая нестабильность технологического процесса также негативно сказывается на качестве продукции и ее себестоимости.
На рис. 1 представлен процесс позиционирования ковша при литье металла и органолептическом его контроле на основе восприятия органами зрения заливщика с превышением допустимой высоты. Виден характерный дефект – разрушение заливочной формы и вытекание металла.
Рис. 1. Завышенное позиционирование ковша с металлом относительно заливочной формы и ее разрушение
Задачи управления параметрами производственных процессов методами дистанционного неразрушающего контроля состава, наличия, позиционирования деталей, узлов, машин, материалов и других объектов являются весьма распространенными. Такой контроль является неотъемлемой частью конвейерных производств, а также систем управления движущимися и удаленными объектами, механическое воздействие контактными датчиками на которые исключено по технологическим условиям (температурным для расплавленных металлов, прочностным для высокотехнологичных производств микроэлектроники, габаритным для нанотехнологий и т.п.).
Для решения поставленной задачи выполнен анализ известных способов дистанционного контроля спектральных характеристик объектов в технологических процессах [1, 2]. Он позволил установить, что существующие технологические решения основаны на регистрации спектральных характеристик, т.е. измерении зависимостей интенсивности отраженных сигналов (или излучений) от длины волны в диапазоне от 200–400 до 800–1000 нм. Такой способ позволяет решать поставленную задачу, однако стоимость спектрографов, спектрометров, спектрофотометров, позволяющих измерять интенсивность спектров
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2012, № 2 (78)
17
ОПТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ …
столь высока, что затраты на их приобретение и установку в технологических процессах делает производство экономически неэффективным, а продукцию – неконкурентоспособной и неликвидной.
Задача настоящей работы – совершенствование системы управления качеством производства поршневых колец (для снижения его себестоимости) методом оптического контроля позиционирования ковша с расплавом при заливке форм.
Метод решения задачи
Предлагается более экономичный способ представления спектральных характеристик объектов и характеристик чувствительности датчиков. Для обоснования способа было выполнено измерение интенсивности отраженного оптического сигнала для образца (объекта, выполненного из чугуна) – рис. 2. Экспериментальные измерения проведены спектрофотометром производства швейцарской фирмы X-Rite, модель Colormunki, с использованием программной оболочки DispCal GUI под управлением ОС Windows.
Интенсивность, о.е. 1
Спектр образца
0,8
0,6
0,4
0,2
0 400
450 500 550 Экспериментальные данные
600 650
700 750
ДИлнитнеансвиовлнноыс,тнь,мо.е.
Теоретическая кривая
Рис. 2. Разложение спектральной характеристики образца в линейно-гармонический ряд
Спектральную характеристику fэ(λ) предлагается представлять результатами разложения в ряд Фурье. Однако, учитывая несовпадение значений интенсивности отражения в начале и в конце диапазона длин
волн (min, max), дополнительно предлагается введение линейной функции длины волны с коэффициентом b = [ fэ(λmax) – fэ(λmin)]/( max–min). После вычитания такой линейной функции из экспериментальных данных спектра объекта fэ(λ)
получаем отвечающую условиям Дирихле функцию
fэ,п(λ) = fэ(λ) – bλ, которую можно представить гармоническим рядом Фурье в функции от аргумента x на периоде 2, соот-
ветствующем интервалу max–min,:
x = ω λ = 2·π· λ λmin
λmах λmin
,
f(x) = a0 + ak'· cos kx + ak''·sin kx ,
k 1
где
a0
1 2π
π π
f (x)·dx ;
ak'
1 π
π π
f (x)·cos(kx)·dx
k = 1, 2,.. ;
ak''
1 π
π -π
f
( x)·sin(kx)·dx
,
k
= 1,
2,...
.
Аналогичное разложение спектральных характеристик чувствительности датчиков (например, фо-
тодиодов), позволяет производить их выбор по критерию допустимости погрешности:
ak´ – ak´,д