RU2545501C2 - Способ и устройство для анализа колебаний, а также база данных образов для них и применение базы данных образов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к способу и устройству для анализа акустической эмиссии. Способ анализа колебаний или акустического анализа детали, заготовки и/или инструмента для определения надежности работы и/или качества обработки, при котором регистрируют и обрабатывают колебания, возникающие во время использования и/или при контроле детали, заготовки и/или инструмента. При этом регистрируют и анализируют колебания или звуки, сохраняют колебательный спектр, включающий упомянутые колебания или звуки, для формирования многомерных данных, по меньшей мере, в трехмерном пространстве с координатами, выбранными из группы: время, частота колебаний или звука, амплитуда колебаний или звука. При этом данные подвергают многомерному, в частности трехмерному, анализу, включающему в себя сравнение упомянутых многомерных данных с эталонными данными для определения отклонения между ними, а колебательный спектр регистрируют и/или анализируют высокочастотно, в частности в диапазоне частот от 200 кГц до по меньшей мере 100 МГц. Технический результат заключается в возможности анализа акустической эмиссии непрерывно и в реальном времени. 3 н. 16 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

Область изобретения

Изобретение относится к способу и устройству для анализа колебательного спектра, возникающего при использовании детали, ее контроле и/или во время обработки заготовки за счет резания, сварки, деформации, соединения и/или разъединения и т.п. Изобретение относится также к базе данных образов и к применению базы данных образов.

Уровень техники

Для наблюдения за механической обработкой заготовок из уровня техники известно много способов.

Так, из DE 102005034768 А1 известен способ контроля рабочего состояния станка, позволяющий диагностировать критические состояния еще перед возникновением поломки и тем самым избежать расходов и затрат, вызванных повреждениями и незапланированными простоями. В известном способе вращающиеся компоненты станка, такие как роторы инструментальных шпинделей и шпинделей двигателей, насосов или вентиляторов, контролируются посредством датчика колебаний. Для этого датчик регистрирует низкочастотные колебания, чтобы обнаружить дисбалансы и/или колебания инструмента и обнаружить, например, плохо сбалансированный, неправильно закрепленный или изношенный инструмент. При этом анализ происходит графически на основе отдельных значений амплитуд сигналов при заданных частотах. Однако такой анализ отдельных низкочастотных колебаний, известный также из DE 10244426 D4 и 10340697 A1, лишь условно подходит для оценки процесса резания в отношении качества обработки заготовки.

Для оптимизации процесса резания из DE 69804982 T2 известно, что во время обработки заготовки регистрируются низкочастотные колебания и в зависимости от информации об инструменте указываются ориентировочные значения частоты его вращения, с помощью которых можно устранить или уменьшить нежелательные колебания, известные как вибрация.

В DE 4405660 А1 также раскрыто уменьшение или предотвращение подобной вибрации, которая воспринимается датчиком колебаний, причем для этого используется регулировочный механизм.

Из D 9403901 известна схема расположения датчиков колебаний для получения сигналов от процесса обработки резанием. При этом датчик корпусного шума закреплен на щупе, находящемся в контакте с заготовкой, так что выработанные в процессе обработки акустические сигналы или соответственно вибрационные колебания от заготовки передаются на датчик. В D 9403901 в этой связи речь идет о высокочастотных акустических сигналах. Однако термин «высокочастотные» употреблен в связи с публикацией DE 3839825 А1, в которой частотный диапазон 20 кГц-2 МГц используется для формирования среднего значения. Также этот частотный диапазон почти не передается и не обнаруживается через соединение щупа в D 9403901.

Из DE 4436445 А1 известен способ оценки процессов резания, при котором колебания/сигналы корпусного шума инструмента регистрируются, с одной стороны, под нагрузкой, а, с другой стороны, при такой же частоте вращения - без нагрузки, и для каждой частоты вращения проводится одномерное сравнение соответствующего числа колебаний без нагрузки и под нагрузкой, чтобы оценить инструмент.

Из WO 88/07911 и WO 89/15258 известен режущий инструмент с интегрированным акустическим датчиком, который вырабатывает одномерный сигнал напряжения, пропорциональный частоте колебаний.

В DE 3829825 C2 при обработке резанием заготовки уровень сигнала акустического датчика регистрируется в зависимости от частоты и усредняется в течение интервалов времени. Сравнение средних значений с пороговыми или заданными значениями позволяет сделать вывод о качестве инструмента или обработки.

Всем известным способам присущ тот недостаток, что инструмент и процесс резания могут быть оценены лишь недостаточно.

К тому же известные способы ограничены обработкой резанием.

Из уровня техники неизвестны никакие надежные основанные на звуке способы наблюдения за другими процессами обработки, такими как сварка (лазерная сварка, электросварка и т.д.), деформация, соединение и/или разъединение и т.п.

Так, в настоящее время для контроля за процессом лазерной обработки используются оптические системы, которые измеряют отраженный от места воздействия свет и по спектру или соответственно интенсивности пытаются сделать вывод, как фактический процесс обработки лазером воспринимается материалом. При этом удовлетворительные результаты достигаются не всегда, поскольку между собой необходимо соединять несколько материалов, а процесс провара, т.е. вызывает ли лазерная энергия также необходимое расплавление и термическое проникновение через все детали, невозможно контролировать по отраженной от поверхности лазерной эмиссии.

Кроме того, из уровня техники неизвестны никакие надежные основанные на звуке способы наблюдения за деталями в процессе эксплуатации, как, например, за стальным колесом железнодорожного вагона во время эксплуатации железной дороги или за компонентом двигателя во время работы. Предотвращение выходов из строя деталей, в частности в важных для безопасности применениях, таких как перевозка людей, например, железными дорогами, самолетами и автомобилями, или в потенциально опасных сооружениях, таких как АЭС, является обязательным условием и возможно только с высокими затратами из-за регулярного контроля вне эксплуатации.

Изложение сущности изобретения

Исходя из предыдущего изложения, в основе изобретения лежит задача создания способа и устройства для анализа колебаний, в частности для акустического анализа, а также базы данных образов для этого и применение базы данных образов для анализа колебаний, с помощью которых обеспечивались бы точное наблюдение и/или оценка детали, заготовки, инструмента и/или процесса обработки.

Эта задача решается в соответствии с признаками пп. 1, 16, 19, 20.

Исходя из этого, создан способ, при котором колебания детали, или заготовки, или инструмента регистрируются и анализируются, причем колебательный спектр регистрируется в разное время или непрерывно и подвергается многомерному анализу.

При этом колебания могут возникать при применении детали, например стального колеса или железнодорожной оси при эксплуатации, при контроле детали во встроенном или демонтированном состоянии, при необходимости, с возбуждением колебаний извне путем стука или ввода звука или при перемещении и т.д. и/или во время обработки заготовки резанием, сваркой, деформацией, соединением и/или разъединением и т.п. Использование анализа колебаний для каждого такого отдельного применения и для других технически сопоставимых применений имеет самостоятельное изобретательское значение.

Согласно данному изобретению регистрация колебательного спектра в разное время и преимущественно непрерывно или квазинепрерывно с целесообразной частотой дискретизации обеспечивает многомерный анализ данных, который является основой точной оценки детали, заготовки, инструмента и/или обработки.

Многомерный анализ данных в одном предпочтительном варианте может быть проиллюстрирован в трех измерениях, например, посредством ландшафта, который в таком случае может простираться, например, в пространстве, образованном осями частоты, времени и амплитуды. Ландшафт визуализирует акустическую эмиссию в виде временной характеристики и имеет при этом характерные признаки, которые образуют соответственно как бы отпечаток пальца. Эти характерные признаки устанавливаются надлежащими методами. Точно так же устанавливаются и отклонения от этих характерных признаков. Также характерные для определенных дефектов или типов дефектов признаки устанавливаются в многомерных данных. В целом, на основе многомерных данных, которые в предпочтительном варианте образуют ландшафт в частотно-временном-амплитудном пространстве, можно с высокой надежностью установить качество механической обработки заготовки, в частности, еще во время обработки в реальном времени, а именно универсально при большом числе процессов обработки, таких как резание, сварка, деформация, соединение, разъединение и/или т.п. Также с помощью соответствующих характерных признаков можно установить и идентифицировать степень износа инструмента или его дефект, например поломку сверла. Наконец, при контроле детали можно установить отклонение от ожидаемых характерных признаков, а в случае совпадения с характеристиками дефектов можно диагностировать определенный дефект или тип дефекта. При этом контроль детали может проводиться даже во время эксплуатации детали, например, в процессе эксплуатации поезда с оси или с колеса снимаются колебательный спектр и, в частности, спектр акустической эмиссии и проверяются на характерные признаки, чтобы установить, например, износ, степень износа, дефект, такой как поломка или трещина, или нормальное поведение или, вообще, отклонение от нормального поведения.

Преимущественно анализ проводится автоматически на основе распознавания образов. Для много- и, в частности, трехмерного распознавания образов могут использоваться подходящие алгоритмы, которые быстро, надежно и с настраиваемыми параметрами распознавания реализуются с помощью компьютера и обращаются к хранящимся в памяти данным колебательного спектра или обрабатывают данные колебательного спектра в реальном времени.

Целесообразно предусмотрена база данных образов с подходящими для определенного применения образами. При этом образы могут храниться в памяти в виде эталонных участков ландшафта, при необходимости, с диапазонами допусков и/или определяться посредством функций. Это обеспечивает, с одной стороны, применение заданных образов для определенного применения или класса применения, например образы для определенного этапа обработки сверлением. К тому же на фазе обучения данные могут собираться и храниться в памяти в качестве образа и, при необходимости, со значениями допусков. Так, например, при сверлении, замене заготовки и смене инструмента может записываться спектр акустической эмиссии и из него могут быть выделены образы, на основе которых проводится оценка последующих обработок. Благодаря этому простым образом и, при необходимости, автоматически возможно индивидуальное согласование образов, например, с определенным процессом, или определенным обрабатывающим станком, или определенной деталью, или определенной ситуацией контроля детали. При этом образы могут покрывать диапазоны значений для определения допускаемых отклонений и/или для упрощения распознавания.

Для автоматического анализа преимущественно предусмотрено образование огибающей зарегистрированного колебательного спектра или его участков и сравнение с эталонной огибающей. При этом огибающая образуется, например, посредством функции сглаживания от усреднения соседних в пространстве точек данных или с использованием целесообразных методов сглаживания многомерных данных. Отклонение между огибающей и эталонной огибающей может быть привлечено в качестве масштаба для оценки детали, заготовки, инструмента и/или процесса, например качества процесса резания. Использование огибающей позволяет также автоматически идентифицировать этапы процесса, например контакт с инструментом или определенную обработку. Кроме того, за счет использования огибающей упрощается распознавание образов и повышается степень распознавания.

Колебательный спектр регистрируется и обрабатывается преимущественно высокочастотно и/или широкополосно.

Широкополосность целесообразна, поскольку характерные признаки могут возникать на участках спектра акустической эмиссии, которые далеко разнесены друг от друга по частоте. Так, трещинообразование имеет высокочастотный «отпечаток пальца», тогда как поломка сверла оставляет относительно низкочастотные признаки в спектре акустической эмиссии, а дефект станка, например радиальное биение токарного станка, оставляет характерные признаки на низкочастотном участке колебательного спектра. Преимущественно регистрируется весь частотный спектр колебаний, для чего, при необходимости, могут быть предусмотрены различные датчики, которые покрывают различные частотные диапазоны. В предпочтительном варианте используется только один датчик, а именно акустический датчик, а в других вариантах дополнительно или в качестве альтернативы могут использоваться также другие датчики колебаний.

Высокочастотная регистрация обеспечивает предпочтительно оценку также микроскопических процессов на детали, или в детали, или заготовке, или инструменте.

Так, например, при обработке резанием твердого тела частицы материала вырываются из своих позиций против своей силы связи. Требуемое для этого усилие прикладывается инструментом. Силы связи имеются между микроскопически мелкими частицами. Поэтому обработку резанием можно понимать как последовательность микроскопических отделений. Каждое из этих мелких отделений посылает импульс через примыкающие материалы. За счет этих импульсов возникают колебания. Частоты колебаний зависят от продолжительности импульсов и упругости материала. Каждая обработка резанием состоит при этом из последовательности очень многих микроскопических отделений, т.е. из последовательности многих мелких импульсов. Эти импульсы возникают с временной последовательностью. После произошедшего микроскопического отделения на следующих еще связанных частицах материала на пути режущего инструмента снова возникает сила отделения. После превышения необходимой силы отделения возникает следующий импульс. Таким образом постоянно происходит возбуждение новых колебаний, распределение по времени которых взаимосвязано со скоростью резания и размером отделенных частиц материала. В результате происходит возбуждение колебаний в материале и инструменте, частота и амплитудная характеристика которых являются характерными для соответствующего процесса резания.

Эти микроскопические отделения приводят, следовательно, к высокочастотному возникающему при обработке резанием спектру колебаний, из которого можно получить характеристики о фактическом процессе резания на микроскопическом уровне.

В других применениях изобретения, например при сварке или контроле деталей, также возникают высокочастотные характерные признаки в колебательном спектре.

Зарегистрированный колебательный спектр подвергается преимущественно частотно-временному анализу. За счет частотно-временного анализа можно, с одной стороны, по временной оси соотнести воспринятые колебания с ходом процесса, а, с другой стороны, отделить представляющие интерес колебания от не представляющих интерес колебаний, например колебаний станка и паразитных колебаний, которые занимают другие частотные диапазоны. Поэтому анализ может концентрироваться на характерном для данного применения диапазоне.

Колебательный спектр регистрируется преимущественно с частотным разрешением, которое соответствует микроскопической зернистости материала детали или заготовки и, при необходимости, другим зависимым от применения факторам. В процессе резания в качестве дополнительного фактора следует учитывать, например, скорость обработки резанием. Так, например, при скорости обработки резанием 3000 м/мин требуется частотное разрешение 50 МГц, чтобы за счет соответствующих возникающих при резании колебаний зарегистрировать структуры порядка 1 мкм. В зависимости от микроскопической зернистости, которая может лежать выше или ниже мкм-диапазона и скорости обработки резанием, возникают большие или меньшие частотные разрешения. Согласно изобретению частотное разрешение составляет преимущественно 50 МГц, чтобы покрывать все применения, однако может лежать также в диапазоне 40, 30, 20 или 10 МГц.

Колебательный спектр может регистрироваться с координатами: частота f, время t и амплитуда А. Эта регистрация подходит для цифрового анализа на компьютере, причем координаты могут быть также функциями a(f), b(t) и/или c(A) частоты f, времени t и амплитуды А или a(f, t, A), b(f, t, A) и/или c(f, t, A), так что в памяти хранится трехмерная матрица в заданной функциональной зависимости от f, t, A, например, (If, mt, nA^x), при этом I, m, n, x являются произвольными числами. Для иллюстрации и/или ручного анализа колебательный спектр может быть графически изображен с тремя координатами. При этом может быть выбрано трехмерное изображение, при котором частота и время образуют одну плоскость, а амплитуда (или ее функция) определяет высотный профиль. Такое графическое изображение облегчает распознавание колебаний, релевантных для оценки, например, за счет отделения на оси времени они могут быть присвоены процессу обработки, а на оси частоты - отделены от колебаний станка или других паразитных колебаний.

Для восприятия колебаний используется преимущественно акустический датчик, в частности пьезоакустический датчик. Такие акустические датчики могут обрабатывать необходимые согласно изобретению высокие частоты, имеют большую ширину полосы частот, а также недороги в изготовлении и не требуют технического обслуживания.

Датчик, в частности акустический датчик, который может быть расположен на детали, заготовке или инструменте или на детали, колебательно-связанной с деталью, заготовкой или инструментом, после своего монтажа и преимущественно также периодически после этого или перед каждым использованием калибруется. За счет этого достигается постоянно высокая точность измерения. Калибровка особенно целесообразна, в частности, тогда, когда датчик размещается на новой заготовке или в целях обслуживания должен быть снят и снова размещен, поскольку за счет размещения можно настроить другой характер связи. Согласно изобретению для калибровки акустического датчика к нему подается определенный электрический импульс, чтобы эмитировать акустический сигнал. Затем регистрируется эхо акустического сигнала и сравнивается с заданным эхом. За счет этого можно определять и учитывать при измерении качество связи акустического датчика с заготовкой, или инструментом, или деталью.

Анализ происходит преимущественно в реальном времени. Благодаря этому отпадает необходимость хранения данных. Хранение данных может быть целесообразным в случае релевантных для безопасности деталей для подтверждения отсутствия дефектов или для подтверждения дефекта. Данные могут храниться полностью для всего процесса обработки или для всей продолжительности контроля заготовки или детали или только фрагментарно в периоды времени, в которые были обнаружены представляющие интерес признаки.

Другой аспект изобретения касается преобразования колебательного спектра или представляющего интерес его частотного диапазона в слышимый звуковой спектр посредством подходящей, например линейной, функции или линейного отображения. Это обеспечивает акустическое наблюдение или акустическую оценку человеком. Целесообразно акустическое наблюдение проводится дополнительно к многомерному анализу, однако может также заменять его.

В одном особенно целесообразном варианте для повреждений обнаруживаются типичные образы в колебательном спектре. Здесь может возникнуть, в том числе, упрощение анализа, ограничивающегося обнаружением дефектов.

Изобретение позволяет также обнаружить дефекты, не находящиеся в непосредственной связи с обработкой заготовки. Например, можно обнаружить вызванные колебаниями температуры трещины, напряжения или, вообще, повреждения в результате постороннего воздействия.

Кроме того, могут быть обнаружены трещины в результате перегрузки и/или усталостные трещины. Это предпочтительно, в частности, при контроле детали или при наблюдении за деталью в процессе эксплуатации, например при контроле колеса железнодорожного вагона.

Таким образом, согласно изобретению созданы способы и устройства, которые обеспечивают автоматическую проверку, гарантию качества и контроль деталей, заготовок и процессов обработки.

Другие признаки и варианты осуществления изобретения приведены в нижеследующем описании со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Описание чертежей

фиг. 1 - схематично устройство для оценки процессов резания;

фиг. 2 и 3 - кристаллиты в структуре стали;

фиг. 4 - трехмерное графическое изображение колебательного спектра;

фиг. 5 - фрагмент фиг. 4 в двухмерном изображении;

фиг. 6 - разрез фиг. 4 параллельно оси f;

фиг. 7 и 8 - проекция всего воспринятого диапазона частот из фиг. 1 на ось времени для различных инструментов.

Описание вариантов осуществления изобретения

Изобретение описано ниже, прежде всего, на примере процесса резания.

Изображенное на фиг. 1 устройство 1 для осуществления анализа колебаний, здесь с целью оценки процесса резания, включает в себя датчик 2 для регистрации колебаний, расположенный, например, на инструменте 3 станка 4, который может обрабатывать резанием заготовку 5. Датчик 2 связан с устройством 6 анализа данных, например компьютером. В других вариантах осуществления изобретения заготовка обрабатывается иначе, например сваривается, деформируется, соединяется и/или отделяется, или контролируется деталь, или она во время своего использования наблюдается в смонтированном состоянии.

Датчик 2 является преимущественно датчиком корпусного шума, например пьезодатчиком, и может не только воспринимать предпочтительно сигналы корпусного шума, но и излучать их. Излучение сигналов корпусного шума целесообразно, в частности, для контроля деталей, поскольку они могут тем самым приводиться в колебания. Также могут использоваться другие виды датчиков, если они могут регистрировать колебания в представляющем интерес частотном диапазоне, например датчики движения.

Датчик 2 расположен либо на инструменте 3, как показано, либо на станке 4, либо на заготовке 5, либо на колебательно-связанной с ней части таким образом, что он может регистрировать колебания заготовки 5 и/или инструмента 3. В простейшем случае датчик привинчен.

Станок 4, например фрезерный станок, прежде всего автоматически осуществляет процесс обработки заготовки 5, например стальной болванки, инструментом 3, например фрезой, формируя из стальной болванки, например, зубчатое колесо.

В процессе обработки на заготовке 5 и инструменте 3 возникают колебания, воспринимаемые датчиком 2. Для этого датчик 2 выполнен так, что он может регистрировать частоты между нижним и верхним предельными значениями. Идеально, если нижним предельным значением является 0, а верхним предельным значением - ∞, так что может восприниматься весь представляющий интерес спектр. На практике целесообразным является верхнее предельное значение, по меньшей мере 50 МГц, предпочтительно по меньшей мере 100 МГц. Частоты ниже 90 или 40 кГц на практике преимущественно демпфируются или отсекаются, поскольку они не содержат никакой пригодной для использования информации, так что целесообразным является соответствующее нижнее предельное значение, которое, однако, может составлять также 200 кГц, 500 кГц или 1 МГц.

Фактический частотный диапазон датчика 2 должен выбираться с помощью обрабатываемого материала и скорости обработки. На фиг. 2 и 3 изображены типичные кристаллиты в структуре стали. Как видно, зерна изменяются по размеру, а именно в зависимости от процесса охлаждения и легирующих компонентов. Если размер зерен материала составляет, например, 1 мкм, а скорость обработки 3000 м/мин, то верхнее предельное значение должно составлять по меньшей мере 50 МГц, чтобы можно было регистрировать представляющие интерес колебания, возникающие при обработке резанием. При скорости обработки 400 м/мин и среднем размере зерен 1 мкм минимальное разрешение составляет 6,66 МГц. Поскольку, однако, острие инструмента (например, 1 мм) очень велико по сравнению с кристаллитами (например, 1 мкм), оно захватывает всегда очень много кристаллитов одновременно (например, 1000), а именно с небольшим смещением на доли размера зерен; поэтому целесообразным является существенно более высокое частотное разрешение, чем минимальное разрешение, чтобы регистрировать всю представляющую интерес частотную информацию в течение процесса резания.

Колебания, зарегистрированные датчиком 2 во время обработки резанием заготовки 5, подвергаются многомерному анализу. Для этого зарегистрированный колебательный спектр может временно храниться в http://multitran.ru/c/m.exe?t=1321200_2_3, которое представляет собой преимущественно компьютер с соответствующим интерфейсом и подходящими запоминающими средами.

В http://multitran.ru/c/m.exe?t=1321200_2_3 частотно-временной анализ может происходить таким образом, что колебательный спектр еще во время регистрации или после нее изображается графически и/или анализируется цифровым путем.

Как показано на фиг. 4, изображение может быть трехмерным с координатами времени, частоты и амплитуды (максимальной амплитуды или интенсивности и т.п.) или, как показано на фиг. 5, двухмерным, причем изолинии визуализируют амплитуду. На фиг. 5 слева при низких частотах виден приводной вал, а справа показаны высокочастотные помехи, а между ними видно последовательное шлифование двух зубьев вала коробки передач автомобиля. Разрез к времени t изображен на фиг. 6, показывающей типичный частотный спектр.

Различимы образы, в частности островки на фиг. 5, характерные для данного процесса. Подобные образы возникают также в случае дефектов. За счет распознавания образов можно, следовательно, распознать и оценить этапы процесса путем определения, например, степени отклонения от образа, а также обнаружить и идентифицировать дефекты (поломка сверла, отсутствие инструмента и т.д.), в любом случае отклонения от нормального поведения обнаруживаются еще во время обработки.

Анализ может осуществляться с помощью фиг. 4, 5 или 6, которые могут сравниваться с эталонными данными или эмпирическими значениями и из которых могут быть выведены характеристики процесса резания. Для этого могут использоваться образы из базы данных образов. Образами могут быть хранящиеся в базе данных образов или функционально описанные характерные участки поверхности, наличие которых устанавливается в зарегистрированном колебательном спектре.

На фиг. 7 и 8 показана проекция всего воспринятого диапазона частот фиг. 1 на ось времени, так что возникает двухмерное изображение. Речь идет о записях двух непосредственно следующих друг за другом процессов точения стальной заготовки. На фиг. 7 изображена эмиссия при использовании изношенного инструмента, а на фиг. 8 - эмиссия после установки нового инструмента, очевидно более гладкая, которая могла бы использоваться в качестве эталона для определенного процесса точения, причем отличия могут быть привлечены для оценки инструмента и/или заготовки. При этом во время автоматического анализа зарегистрированных трехмерных наборов данных вокруг зарегистрированного ландшафта может быть проведена соответствующая эталонная огибающая. В качестве меры качества обработки, инструмента и т.д. могли бы использоваться разности, средние значения, разбросы и т.д.

Колебательный спектр зависит при этом не только от инструмента и заготовки, но и от скорости обработки, станка, расходного материала (например, СОЖ) и т.д. Таким образом, колебательный спектр может давать информацию также о станке или расходном материале и т.д. Так, колебательный спектр, возможно, модулирован колебаниями станка, составляющими, например, 200 Гц.

Датчик 2 будет иметь нелинейную частотную характеристику, зависимую от всей системы станок-инструмент-заготовка. Частотная характеристика является индивидуальной для каждого датчика и, кроме того, зависимой от крутящего момента его крепежа, резонансов системы, шумов станка и т.д. Поэтому целесообразна, в частности, периодическая калибровка во время измерений. Калибровка может осуществляться за счет излучения датчиком 2 импульса и оценки импульсного отклика.

Ниже в качестве примера осуществления изобретения описано обнаружение трещин.

Обнаружение трещин при нагрузке деталей, например колес, с высокой надежностью обеспечивается за счет широкополосного рассмотрения сигналов корпусного шума в реальном времени.

Частотно-детектированное рассмотрение обеспечивает избирательную фильтрацию нормальных рабочих шумов и спонтанно возникающих повреждений детали вследствие трещин от перегрузки или усталостных трещин в структуре.

Любое разделение структуры вызывает импульсную эмиссию корпусного шума, которая может быть отделена от нормальных технологических шумов.

Рассмотрение в реальном времени преимущественно всей частотной характеристики за время позволяет обнаружить изменения протекания процесса и путем регулирования вмешаться в такие изменения, так что можно профилактическим путем избежать возникновения повреждений.

В установках для целенаправленного создания повреждений, например на испытательных стендах, можно наблюдать за ходом обычного повреждения. Таким образом можно оценить размер повреждения не только впоследствии, но также оценить временную характеристику возникновения повреждения и количественные проявления при развитии повреждения.

За счет сравнения зарегистрированного колебательного спектра с хранящимися в памяти образами повреждений или нормальными образами можно очень гибко реагировать на возникающие повреждения детали или на отклонения процесса, даже если частотные диапазоны смещаются или изменяются, или регистрируются новые, до сих пор не известные сигналы.

При заранее установленном разделении или фильтровании частот такое гибкое реагирование и обнаружение невозможно.

Изобретение может применяться также при сварке, в частности при лазерной сварке.

При обработке материалов лазером они нагреваются, в результате чего изменяются напряжения в структуре. Любое подобное изменение напряжений создает волну давления, распространяющуюся по материалу. Эти колебания давления, как следствие термической деформации за счет лазерной энергии, могут быть зарегистрированы датчиком корпусного шума и проанализированы согласно данному изобретению.

В настоящее время для контроля за лазерным процессом используются оптические системы, которые измеряют отраженный от места воздействия свет и по спектру или интенсивности пытаются определить, как фактический лазерный процесс воспринимается материалом. Этим удовлетворительные результаты достигаются не всегда, поскольку между собой необходимо соединять несколько материалов, а процесс провара, т.е. вызывает ли лазерная энергия также необходимое расплавление и термическое проникновение через все детали, невозможно контролировать по отраженной от поверхности лазерной эмиссии.

За счет датчиков корпусного шума на деталях или заготовках можно согласно изобретению регистрировать, возникают ли в деталях колебания напряжений вследствие термического нагрева, и колебания напряжений можно анализировать для оценки сварочного процесса.

Восприятие энергии за счет лазерного света создает колебания температуры в структуре и тем самым изменяющиеся сжимающие напряжения, волны давления и частоты, которые позволяют сделать выводы о виде термических изменений в структуре. Так, можно отобразить сварочную энергию и/или воспринимаемую материалом энергию. Согласно изобретению за счет многомерного анализа колебательного спектра можно, в частности, обнаружить дефекты сварки, например непровар нескольких соединяемых деталей, возникновение отверстий вследствие слишком сильного переноса энергии или отсутствие лазерного луча.

Датчик колебаний или, в частности, акустический датчик, при необходимости несколько акустических датчиков, могут быть колебательно связаны посредством устройства с заготовками. Датчик или датчики могут быть размещены также на держателях, которые при закреплении деталей или заготовок вступают в колебательно-связующий контакт с деталями или заготовками.

Согласно изобретению обеспечивается активный контроль за обработкой, в частности за процессом лазерной сварки, при котором не требуется никаких дополнительных мер по наблюдению и оценке качества.

Изобретение подходит также для наблюдения за деформационным процессом.

При каждом процессе деформации твердых тел напряжения вводятся в деталь или нарушаются. Эти изменения усилия приводят к волнам давления, которые распространяются в детали или заготовке.

Частоты этих волн давления зависят от динамики деформационного процесса, скорости усилия и микроструктуры материала.

Вообще могут возникать очень высокие напряжения. Анализ акустической эмиссии по частоте и времени обеспечивает точное описание деформационного процесса и образует как бы отпечаток пальца каждого конкретного деформационного процесса. При этом возможны изменения за счет различных свойств материалов и протеканий процессов.

Предложенный способ может применяться как при холодной, так и при горячей деформации. Могут обнаруживаться дефекты, например поврежденные, сломанные или отсутствующие деформирующие инструменты. Также могут обнаруживаться изменения прочности детали при деформации, отсутствие или измененные свойства эксплутационных материалов, например смазочных материалов, при горячей деформации, в частности изменении температуры. Уже небольшие отличия температуры в 1ºС могут привести к значительным изменениям усилий деформации и тем самым к изменению свойств при динамике деформации и в эмиссии волн давления.

Если деталь в течение деформационного процесса охлаждается во время регистрации колебаний, то можно заодно наблюдать и оценить также процесс снятия напряжений или процесс охлаждения и усадки и структурного превращения материала, а также сделать вывод о процессе охлаждения.

Это относится как к колебаниям, в частности к эмиссиям корпусного шума, происходящим от самого структурного превращения, так и к эмиссиям за счет усилий между деталью и инструментом, возникающим во время изменения объема.

В целом изобретение обеспечивает, в частности, автоматическое наблюдение и оценку почти любых процессов обработки с помощью возникающих во время обработки, включая возможный этап охлаждения и т.п., колебательных спектров, имеющих, как описано выше, характерные признаки для нормального поведения и отклонений от него. Помимо описанной выше в качестве примера обработки резанием, сваркой и деформацией, изобретение применимо также при соединении и разъединении.

В любом процессе соединения или разъединения различные части вступают во взаимодействие между собой. Во время движения поверхности трутся друг о друга, частицы материала соскабливаются и отделяются и в каком-либо виде вводятся усилия. Каждое из этих действий создает волны давления, которые проходят через участвующие детали, являются характерными для данного процесса соединения или разъединения и могут быть типизированы.

Следовательно, можно квантифицировать и квалифицировать процессы соединения и разъединения по различным свойствам, т.е. определить и обнаружить характерные признаки.

Например, при запрессовке вала во втулку, причем обе детали изготовлены с допусками, волны давления от акустической эмиссии являются мерой усилий запрессовки. При слишком большом припуске или неблагоприятном расчете допусков вырабатывается очень сильный акустический сигнал, который может указывать на дефект при запрессовке. Благодаря предложенной трехмерной оценке зарегистрированного колебательного спектра можно обнаружить этот дефект, например, за счет сравнения с заданными образами. Точно так же можно обнаружить разные свойства поверхности, например слишком большую шероховатость поверхности или изменения материала, поскольку эти характерные свойства имеют колебательный спектр.

Резьбовое соединение не представляет собой в основном ничего иного. Также в этом случае поверхности трутся друг о друга и прижимаются друг к другу, а приложенный крутящий момент вместе с фрикционными свойствами создает типизируемую акустическую эмиссию, которая, в свою очередь, может быть привлечена для характеристики резьбового соединения.

Вышеописанное применимо также к процессам разъединения, например к выбиванию оправок из втулок, выпрессовке, отвинчиванию, отрезанию и т.д.

В целом процесс обработки завершен только тогда, когда больше не возникает никаких изменений детали или заготовки. Так, например, при деформации, или соединении, или сварке и т.д. колебательный спектр можно анализировать в течение длительного промежутка времени, чтобы констатировать возникающие, например, при изменениях температуры напряжения, приводящие при известных условиях к повреждению деталей, даже после непосредственного завершения воздействия на деталь или заготовку.

Claims (19)

1. Способ анализа колебаний или акустического анализа детали, заготовки и/или инструмента для определения надежности работы и/или качества обработки, при котором регистрируют и обрабатывают колебания, возникающие во время использования и/или при контроле детали, заготовки и/или инструмента, при этом регистрируют и анализируют колебания или звуки, сохраняют колебательный спектр, включающий упомянутые колебания или звуки, для формирования многомерных данных, по меньшей мере, в трехмерном пространстве с координатами, выбранными из группы: время, частота колебаний или звука, амплитуда колебаний или звука, причем упомянутые многомерные данные подвергают многомерному, в частности трехмерному, анализу, включающему в себя сравнение упомянутых многомерных данных с эталонными данными для определения отклонения между ними, причем колебательный спектр регистрируют и/или анализируют высокочастотно, в частности в диапазоне частот от 200 кГц до по меньшей мере 100 МГц.

2. Способ по п.1, при котором анализ осуществляют автоматически на основе распознавания образов.

3. Способ по п.2, при котором при распознавании образов в зарегистрированном в течение промежутка времени колебательном спектре осуществляют поиск образов, которые хранятся или определены в базе данных образов.

4. Способ по п.1, при котором образуют огибающую колебательного спектра и сравнивают с эталонной огибающей.

5. Способ по любому из пп.1-3, при котором колебательный спектр регистрируют и/или анализируют широкополосно.

6. Способ по любому из пп.1-3, при котором колебательный спектр подвергают частотно-временному анализу.

7. Способ по любому из пп.1-3, при котором для регистрации колебательного спектра используют акустический датчик (2).

8. Способ по п.7, при котором акустический датчик (2) калибруют за счет того, что перед измерением посредством акустического датчика (2) излучают акустический сигнал, регистрируют эхо и сравнивают его с заданным эхом.

9. Способ по любому из пп.1-3, при котором анализ осуществляют в основном в реальном времени.

10. Способ по любому из пп.1-3, при котором зарегистрированный колебательный спектр преобразуют в слышимый диапазон для акустической оценки оператором.

11. Способ по любому из пп.1-3, при котором распознают типичные для повреждений образы в колебательном спектре.

12. Способ по п.11, при котором обнаруживают трещины от перегрузки и/или усталостные трещины.

13. Способ по любому из пп.1-3, при котором колебательный спектр регистрируют в разное время или (квази)непрерывно.

14. Устройство (1) анализа колебаний или акустического анализа детали, заготовки и/или инструмента для определения надежности работы и/или качества обработки, отличающееся тем, что оно предназначено для осуществления способа по любому из пп.1-13 и содержит датчик (2) для регистрации колебательного спектра, возникающего во время работы и/или обработки детали, заготовки и/или инструмента, и устройство (6) анализа данных.

15. Устройство по п.14, в котором предусмотрен высокочастотный датчик для регистрации спектра корпусного шума.

16. Устройство по п.14 или 15, в котором устройство (6) анализа данных содержит базу данных образов с многомерными образами колебаний.

17. Устройство по п.14, причем обработка детали включает в себя резание, сварку, деформацию, соединение и/или разъединение.

18. Применение способа анализа колебаний или акустического анализа детали, заготовки и/или инструмента по п.1 для определения качества обработки заготовки (5) резанием, в котором колебательный спектр регистрируют с частотным разрешением в соответствии с микроскопической зернистостью материала обрабатываемой заготовки (5) и скоростью обработки резанием.

19. Применение по п.18, в котором колебательный спектр регистрируют в разное время или (квази)непрерывно.

Images