Абрамов А

Експлуатаційні властивості деталей і вузлів машин істотно залежать від якості поверхонь і поверхневого шару, що сполучаються. Вони в свою чергу визначаються геометричними показниками (макровідхилення, хвилястість, шорсткість), фізико-механічними (мікротвердість, залишкові напруження, структура) характеристиками та взаємним розташуванням мікронерівностей на елементах, що сполучаються. У процесі експлуатації машини, вузла чи деталі відбуваються зміни, які знижують їхню довговічність.

Одним із способів підвищення довговічності деталей машин є електромеханічна обробка (ЕМО). Вона полягає в нагріванні металу деталі дією двох джерел тепловиділення – електричного струму та тертя, миттєво в місцях контакту інструменту та деталі з одночасною дією значних тисків, причому короткочасний термомеханічний вплив вимірюється сотими частками секунди за високої швидкості охолодження всередину деталі.

При дослідженні ЕМО виникають такі проблеми:

трудомісткість отримання необхідного результату, пов'язана зі значними витратами часу на його отримання, наприклад, виготовлення та отримання мікрошліфів;

відсутність теоретичних залежностей отриманої структури поверхні деталей певних марок стали від параметрів ЕМО.

відсутність спеціалізованої апаратури та програмного забезпечення для автоматизованого проведення експерименту.

З наведених вище проблем випливає мета подальшого дослідження – розробити комплекс засобів автоматизації експерименту для дослідження ЕМО.

Для реалізації цієї мети необхідно:

провести пошук та аналіз засобів автоматизації електросилового обладнання (тиристорні регулятори, датчики струму танапруги, датчики неруйнівного контролю поверхні та ін.);

провести пошук та аналіз пристроїв автоматизації та збору даних, а також програмного забезпечення до нього.

Ефективність створення та експлуатації автоматизованих виробничих систем забезпечується інтеграцією таких автоматизованих систем як АСНІ, САПР, САПР ТП, АСУ, АСУ ТП. Досвід створення інформаційно-вимірювальних систем та інформаційно-керуючих систем на основі широкого використання ЕОМ показав, що проблеми створення систем автоматизації у науці, техніці та виробництві вирішуються на основі розробки загальних методів та засобів автоматизації у вигляді інформаційно-обчислювальних систем з магістрально-модульною структурою. Цим забезпечується створення систем автоматизації вимірювання, управління, збирання та аналізу даних у реальному масштабі часу з необхідними характеристиками [2].

В даний час рівень розвитку та вирішення завдань автоматизації в наукових дослідженнях порівняно з автоматизацією технологічних процесів висуває підвищені вимоги до систем автоматизації та стимулює їх розвиток.

При цьому потрібно забезпечувати такі параметри як:

висока швидкодія збору даних;

висока точність засобів виміру;

велика щільність монтажу (мікромініатюризація) з метою збільшення кількості каналів вимірів;

висока продуктивність засобів збору та аналізу даних тощо.

У наукових дослідженнях зазвичай виділяють десять основних етапів, що підлягають автоматизації (рис. 1) [3].

Отже, здійснюється замкнутий цикл регенеративного розвитку та отримання нових знань, у якому нині автоматизація грає на вирішальній ролі.

Автоматизаціяекспериментів є основою як фундаментальних, і прикладних досліджень. Велика різноманітність дорогих експериментів призводить до необхідності розробляти системи автоматизації, що вирішують певні класи завдань. Проте основою експерименту є процес отримання реальному масштабі вимірювальної інформації (рис. 1б). При цьому розрізняють пасивні та активні експерименти. У першому випадку вимір ведеться без на об'єкт, у другому випадку додатково впливають на об'єкт за необхідними алгоритмами. Узагальнена модель автоматизації сучасного експерименту (рис. 2) включає всі взаємозалежні етапи експерименту, хоча у конкретних випадках багато хто з них може бути слабко виражені чи бути зовсім.

Для забезпечення такої структури системи автоматизації експерименту необхідний стандарт на загальну шину, її інтерфейс та конструкцію блоків.

а)

Малюнок 1 – Етапи наукових досліджень (а) та структурна схема модульної системи автоматизації (б):

М - функціональний модуль (прилад для вимірювання або керування);

КС-контролер секції для сполучення з машиною.

Малюнок 2 – Модель системи автоматизації експерименту:

Fi – середня інтенсивність надходження інформації на i-му рівні;

Ii-обсяг вимірювальної інформації на i-му рівні збору, біт;

Сi - обсяг керуючої інформації на i-му рівні, біт.

Першим таким стандартом стала система КАМАК [3]. Першим щаблем у системі КАМАК є крейт (каркас), який вставляють електронні блоки (рис. 3а) На задній панелі крейта є шина обміну. Уся виміряє. апаратура АС розміщується у блоках. У функціональний блок інформація надходить у вигляді команд і даних з шини обміну тавиді сигналів від датчиків через передню панель. У крейті можуть розміститися 23 функціональні блоки і спеціальний блок, зв. контролером, що забезпечує зв'язок із каналом обміну ЕОМ. Крейти можна поєднувати у гілку, що містить до 7 крейтів (рис. 3б). Контролери крейтів підключають до каналу гілки, через спеціальний інтерфейс, званий драйвером гілки, з'єднується з каналом обміну ЕОМ. Гілка дозволяє рознести крейти та ЕОМ на десятки метрів. Для АС, розподілених великі відстані, існує послідовний канал КАМАК, що дозволяє зв'язувати до 62 крейтів. Послідовний канал пов'язані з каналом обміну ЕОМ через спеціальний інтерфейс, зв. послідовним драйвером.

Малюнок 3 – Схема гілки КАМАК

Ефективність використання систем КАМАК обумовлена їхньою гнучкістю, можливістю швидкої перебудови та нарощування системи в процесі зміни програми досліджень, причому можлива така організація роботи крейту (і гілки), при якій система обслуговує відразу кілька експериментів.

Недоліком системи Камак є мала швидкість передачі даних і складність зведення в систему кілька процесорів. Розробка та випуск дешевих мікропроцесорів дозволяють створювати багатопроцесорні системи.

Найбільш перспективними видаються нові системи FASTBUS та EUROBUS. Система EUROBUS набагато гнучкіша, ніж система Камак. Розширення можливостей дозволяє будувати її основі дослідницькі АС різного рівня складності, використовуватиме автоматизації невеликих установок. Особливість системи FASTBUS, розробленої США,- на порядок більше швидкодія, ніж у системі КАМАК [4].

В даний час на ринку засобів автоматизації виникають сучасні програмно-апаратні комплекси на базіаналогово-цифрових перетворювачів (АЦП), які найбільше застосовні для автоматизації експериментів при дослідженні процесів ЕМО.

Ці комплекси мають такі переваги:

малі габарити та енергоспоживання;
висока швидкодія та пропускна здатність;
узгодження з ПЕОМ;
використання універсальних інтерфейсів передачі;
інтуїтивно зрозумілий інтерфейс.

Найбільш поширені програмно-апаратні комплекси на базі АЦП наступних фірм: National Instruments transforms, ТОВ "Л Кард", ЗАТ "Руднєв-Шиляєв", Компанія СІГНАЛ ХОЛІТ Дейта Системс Науково-виробнича компанія АУРІС та ЗАТ "Електронні технології та метрологічні системи".

Найцікавіші рішення для автоматизації експерименту представляє остання фірма – ЗАТ “Електронні технології та метрологічні системи”[5], яка одночасно з апаратною частиною репрезентує і власне реалізовану програмну, виконану українською мовою.

Найбільш підходящим рішенням для автоматизації експерименту при дослідженні процесу ЕМО можна вважати модуль ZET 210 з Модуль функціонує в режимі безперервного введення/виведення аналогових та цифрових сигналів у пам'ять персонального комп'ютера з можливістю цифрової обробки сигналів. Оцифрування вибраних каналів відбувається послідовною комутацією ключів з використанням одного АЦП. Базове програмне забезпечення ZETLab, що поставляється з модулем ZET 210, дозволяє приступити до процесу вимірювання та керування відразу після підключення модуля до персонального комп'ютера. До нього вже входять усі необхідні програми для проведення випробувань та вимірювань, тривалого моніторингу по кількох вибраних вимірювальних каналах, контроль вимірюваних величин, висновокпоточних параметрів, що вимірюються на монітор ПК.

Автоматизований експеримент для дослідження процесу ЕМО можна здійснити за такою схемою (рисунок 4):

Малюнок 4 - Установка для проведення автоматизованих досліджень процесу ЕМО

Установка для проведення автоматизованих досліджень процесу ЕМО складається з трифазного штепсельного роз'єму XS 1, блоку запобіжників, магнітного пускача, що включає вимикач SA 1, котушку KM, теплові реле PT 1 і PT 2 з колійними вимикачами K Т1 і K Т2. Напруга мережі, необхідне електромеханічної обробки виходить шляхом перетворення з допомогою трифазного понижуючого трансформатора, з'єднаного за схемою «зірка». Для регулювання сили струму в ланцюгу «інструмент – деталь» встановлені три тиристорні регулятори ТР1, ТР2 і ТР3, управління якими здійснюється за допомогою модуля ZET 210 USB. Далі струм подається на деталь за допомогою трьох інструментальних державок І1, І2 та І3, які можуть забезпечуватись як однаковими робочими інструментами, так і різними, причому кожен інструмент має пристрій навантаження (УН1…УН3), що дає можливість змінювати зусилля притиску інструменту до деталі та кероване за допомогою контролерів КУН1…КУН3. Кожен інструмент виконує свою задану технологічну операцію в єдиному циклі, утворюючи замкнутий електричний ланцюг. Глибина обробки та щільність струму контакту кожного робочого інструменту І1, І2 та І3 для необхідної якості поверхні деталі задається за допомогою ПЕОМ, сигнал з якої надходить каналом BLUETOOTH на модуль ZET 210 USB , де перетворюється і надходить до виконавчих пристроїв ТР1…ТР3, КУН1… КУН3, УН1 ... УН3. Зворотний зв'язок системи здійснюється за допомогою цифрових перетворювачів струму, ЦПТ1 ... ЦПТ3 сигнал зяких надходить на модуль ZET 210 USB і далі на ПЕОМ, де обробляється і формується відповідний коригуючий сигнал, який коригує помилки даної системи.

Таким чином, застосування даного способу автоматизованих досліджень процесу ЕМО дозволяє розширити область її застосування (зміцнення, відновлення), отримання стабільних заданих характеристик поверхневого шару за рахунок регулювання щільності струму та зусилля притискання на кожному робочому інструменті залежно від виду виконуваної операції та необхідних властивостей поверхневого шару а також дозволить знизити трудомісткість проведення експериментів.

ЛІТЕРАТУРА:

Багмутов В.П., Паршев С.М., Дудкіна Н.Г., Захаров І.М. Електромеханічна обробка: технологічні та фізичні основи, властивості, реалізація. - Новосибірськ: Наука, 2003. - 318 с.
Соколов М. П., Автоматичні вимірювальні пристрої в експериментальній фізиці, 2 видавництва, - М., 1978;
Виноградов Ст І., Дискретні інформаційні системи в наукових дослідженнях, – М., 1976;
Кузьмичов Д. А., Радкевич І. А., Смирнов А. Д., Автоматизація експериментальних досліджень - М., 1983;
Програмне забезпечення Zetlab. Керівництво оператора частина 1. ЗТМС.00068-01 34.- М: Зеленоград, ЗАТ «ЗЕТ» – 227 с., іл.