This article focuses on promising application robot manipulators for automating the process of certification of the ultrasonic piezoelectric transducers. The focus is on the possibility of the use of the robot manipulator to solve this problem. Briefly considered various options for solving the problem, in addition to the robot arm. The article analyzes the existing solutions and process automation research methods. A variant of the certification process automation piezoelectric transducers, characterized by using the robot arm for moving and scanning. The study identified the necessary characteristics for selecting the robot manipulator. Recommendations on the use of robotic manipulators for automation certification process piezoelectric transducers.
Keywords: classification, structural system, a robotic arm, converter, ultrasound, bevel angle radiation pattern, certification, diagnostics, process automation, stand certification.
Для ультразвуковой дефектоскопии используются пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП). У данных ПЭП существует множество параметров, которые являются характеристиками каждого преобразователя и должны быть измерены и записаны в паспорт на данный ПЭП индивидуально. У всех параметров есть возможный разброс, по которому определяется годность и качество производства преобразователя, поэтому существует методика паспортизации ПЭП, которая необходима для контроля качества продукции. Для того, чтобы внести в паспорт на ПЭП достоверные данные, они должны быть измерены с необходимой точностью.
На точность снятия всех характеристик влияет множество факторов. Одним из таких факторов является человеческий фактор при ручной методике паспортизации. Также некоторые характеристики ПЭП не могут быть сняты с помощью человека. Из-за этого было принято решение изменить методику снятия характеристик и автоматизировать процесс.
Существуют аналогичные автоматизированные системы, например в компании НПЦ ЭХО+ был разработан автоматизированный стенд паспортизации. Автоматизированный стенд паспортизации в компании НЦП ЭХО+ может измерять все необходимые характеристики с необходимой точностью для достоверной оценки годности ПЭП и создания паспорта на изделия, но система создавалась специально для паспортизации и не имеет полной автоматизации. Робот-манипулятор позволяет создать универсальную систему и заменить человека, который производит операцию по паспортизации, как его механический аналог.
В том числе автоматизация данного процесса позволяет не только повысить качество измерений, но и является экономически выгодной, так как оператор данной установки может не высококвалифицированным.
Актуальность
Пьезоэлектрические преобразователи используются для неразрушающего контроля, поэтому очень важно точно определить характеристики ПЭП и контролировать их при производстве. Для достижения точности необходимо использовать более прецизионные системы, чем человек, такие как робот-манипулятор.
Также во всех направлениях производства и контроля идет автоматизация всех процессов, которая снижает себестоимость продукции и повышает надежность работы системы, исключает воздействие человеческого фактора.
Цель работы
Целью данной работы было исследование применения и внедрение робота-манипулятора в процесс паспортизации ПЭП.
Для достижения поставленной цели вработе решен следующий комплекс задач:
– исследование необходимой точности перемещения ПЭП;
– разработка алгоритма движения робота-манипулятора;
– анализ необходимых компонентов для системы.
Методы исследований:
Метод восхождения от абстрактного к конкретному заключается в условном расчленении объекта исследования, описании его свойств при помощи множества понятий и характеристик, превращая в совокупность зафиксированных мышлением абстракций, односторонних определений. Затем восстанавливается сам объект, он воспроизводится во всей своей многогранности, но уже в процессе мышления.
- Нахождение необходимых параметров робота манипулятора
Для того, чтобы робот-манипулятор был основой стенда паспортизации, необходима достаточная точность перемещения робота-манипулятора. Точность, с которой должно производится перемещение, можно получить из алгоритма сканирования.
Сканирование производится с помощью снятия эхо сигнала с ПЭП на тестовом образце (стальной полусфере).
Для получения характеристики стрелы (место на ПЭП, в которой концентрируется пучок акустической волны, при выходе из ПЭП) необходимо провести сканирование ПЭП следующим образом: совместить передний край преобразователя с центром образца, двигать преобразователь вперед с шагом 0,5 мм (от заказчика) и снимать эхо сигнал в каждой точке, пока сигнал не будет максимальным, что будет обозначать момент совмещения центра тестового образца и ПЭП. Следовательно, для получения характеристики стрелы, необходима точность 0,5 мм при перемещении.
Основными характеристиками ПЭП являются углы ввода и скоса. Угол ввода — отклонение акустического пучка в главной плоскости относительно вертикальной. Угол скоса — отклонение акустического пучка в горизонтальной плоскости относительно главной плоскости. Эти характеристики снимаются по аналогии со стрелой, но с большей точностью, к тому же пересчет координаты в угол зависит от частоты из-за того, что в пространстве сигнал меняет свою форму, поэтому если снимать сигнал в разном месте на полусфере, то сигнал может иметь разную амплитуду. Для того, чтобы угол был правильно рассчитан, необходимо снимать сигнал с шагом меньше длины волны, тогда при сканировании не будет неоднозначных изменений амплитуды, а сигнал будет меняться периодически.
Например, если сигнал 2.5 МГц, то шаг сканирования должен быть X < c / f = 3250 м/с / 2.5 МГц = 1,3 мм.
Значение угла должно быть снято с погрешностью 0,1 градус на полусфере радиусом 100 мм. Если угол преобразователя примерно 75 градусов, то X < (cos(75) * 100 — cos(75,1) * 100) = 0,17 мм, для 60 градусов X < (cos(60) * 100 — cos(60,1) * 100) = 0,15 мм, для 45 градусов X < (cos(45) * 100 — cos(45,1) * 100) = 0,12 мм.
Следовательно для данных частот и частот (стенд паспортизации проектируется для этого набора) необходимая точность перемещения робота-манипулятора должна быть не более 0,1 мм.
- Выбор робота манипулятора
После того, как определили точность перемещения робота манипулятора, необходимо определиться с остальными параметрами. Роботы манипуляторы кроме точности перемещения имеют такие параметры, как: габариты, максимальная нагрузочная способность, защитная блокировка, датчики.
Автоматизированный стенд паспортизации проектируется так, чтобы за ним сидел человек и мог выполнять параллельную работу, следовательно робот должен быть настольным и иметь защитную блокировку для того, чтобы обезопасить человека от негативного воздействия робота при непредвиденных передвижениях.
Максимальная нагрузочная способность показывает то, какую массу робот-манипулятор может поднять. ПЭП имеет максимальный вес 200 грамм, но также следует учти, что для работы робота-манипулятора необходим захват, который тоже является нагрузкой на робота-манипулятора, который в среднем весит 500 грамм.
Так как происходит сканирование тестового образца с помощью ПЭП, необходимо обеспечить постоянный контакт с поверхностью с постоянной силой воздействия, для этого необходим датчик усилия.
- Выбор захвата
Также очень важную роль при проектировании автоматизированной системы паспортизации ПЭП имеет выбор захвата преобразователей. Захват должен однозначно позиционировать преобразователь с достаточной точностью (минимально необходимая точность позиционирования ПЭП в захвате 0,5 мм, такая же, как и при вычислении стрелы, обеспечена с помощью алгоритма сканирования) для выполнения всех необходимых операций.
Захват должен фиксировать преобразователь при сканировании, для того, чтобы во время сканирования из-за сопротивления между ПЭП и тестовым образцом преобразователь не сместился.
Захват не должен излишне нагружать робота-манипулятора, иначе робот-манипулятор не сможет совершать перемещение.
Вывод
В результате работы были выявлены особенности применения робота-манипулятора для автоматизации процесса паспортизации ПЭП, выявлены все характеристики робота-манипулятора и захвата, которые влияют на работу установки, даны рекомендации по выбору захвата и робота манипулятора для поставленной задачи.
Результаты данной работы можно применять для проектирования автоматизированной системы паспортизации ПЭП, а также при проектировании системы автоматизации повышенной точности. Также по аналогии со статьей можно использовать алгоритм и подход проектирования схожим автоматизированных систем.
Литература:
- К. И. Билибин, А. И. Власов, Л. В. Журавлева и др. Конструкторско-технологическое проектирование электронных средств /под общ. редакцией В. А. Шахнова. — М.: Изд-во МГТУ им.Н. Э.Баумана, 2005. 568 с. (серия: Информатика в техническом университете, второе издание).
- Т. И. Агеева, А. М. Афонин, А. И. Власов, В. А. Шахнов и др. Информационные технологии в инженерном образовании /под ред. С. В. Коршунова, В. Н. Гузненкова — М.: Изд-во МГТУ им.Н. Э.Баумана, 2007. — 432с.:ил.
