RU2763863C1 - Method for obtaining acoustic information for monitoring the technological process of surface alloying of ceramic and hard-alloyed tools - Google Patents

Method for obtaining acoustic information for monitoring the technological process of surface alloying of ceramic and hard-alloyed tools Download PDF

Info

Publication number
RU2763863C1
RU2763863C1 RU2020140918A RU2020140918A RU2763863C1 RU 2763863 C1 RU2763863 C1 RU 2763863C1 RU 2020140918 A RU2020140918 A RU 2020140918A RU 2020140918 A RU2020140918 A RU 2020140918A RU 2763863 C1 RU2763863 C1 RU 2763863C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency
signal
range
frequency ranges
carrier
Prior art date
Application number
RU2020140918A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Вольдемарович Федоров
Михаил Павлович Козочкин
Тхеин Хту Маунг
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН")
Priority to RU2020140918A priority Critical patent/RU2763863C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2763863C1 publication Critical patent/RU2763863C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H1/00Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector
    • G01H1/12Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector of longitudinal or not specified vibrations
    • G01H1/14Frequency

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: method for obtaining acoustic information for monitoring the technological process of surface alloying of ceramic and hard-alloyed tools consists in attaching a waveguide to the processed object, securing an oscillation sensor on the waveguide and processing information using a computer, recording the signal values in two frequency ranges until the signal amplitude drops to the level of background noise. Envelopes are then isolated, stretched in time. For a lower frequency range, the frequency of the carrier harmonic signal is selected within the lower part of the auditory perception range, and for the other range, the frequency of the carrier signal is selected in the higher frequency range. Frequency ranges wherein, according to the experimental data, the signal amplitude is subjected to the greatest changes with variation in the irradiation modes, are selected as frequency ranges. The new envelopes are used as modulating functions for the corresponding selected carrier signals. The modulated signals are separately amplified and directed to the headphones. The sensor is made in the form of an accelerometer with a frequency response characteristic covering the audible and ultrasonic frequency ranges.
EFFECT: reduction in the time for acquiring the technology of material processing and increase in the accuracy of setting the operating modes of the equipment.
1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно к термической обработке металлов и сплавов в вакуумной камере электронными пучками в виде коротких импульсов, и может быть использовано в системе контроля результирующих показателей процесса термической обработки поверхностей, в частности, поверхностного легировыания керамического и твердосплавного инструмента.The invention relates to the field of mechanical engineering, mainly to the heat treatment of metals and alloys in a vacuum chamber with electron beams in the form of short pulses, and can be used in a system for monitoring the resulting indicators of the process of heat treatment of surfaces, in particular, surface alloying of ceramic and hard alloy tools.

Из уровня техники известны способы вывода звуковой (вибрационной) информации о фазовых превращениях, сопровождающих термическое воздействие, заключающиеся в том, что границы фазовых переходов определяют с помощью датчика акустической эмиссии, присоединяемого к обрабатываемому образцу (1. Патент РФ №2433190, МПК C21D 1/55; G01N 29/00; C21D 1/04. Опубл. Бюл. №31, от 10.11.2011; 2. Вьюненко Ю.Н., Черняева Е.В. Особенности акустической эмиссии при мартенситных превращениях в сплаве TiNi. // Вестник Тамбовского университета. Серия: естественные и технические науки. Т. 21, №31. 2016. С. 917-921; 3. Воронцов В.Б., Журавлев Д.В. Связь структуры сигналов акустической эмиссии при кристаллизации Al с механизмом формирования твердой фазы из расплава. // Вестник Новгородского государственного университета, №67. 2012. С. 8-13).From the prior art there are known methods for outputting sound (vibration) information about phase transformations accompanying thermal exposure, which consists in the fact that the boundaries of phase transitions are determined using an acoustic emission sensor attached to the processed sample (1. RF Patent No. 2433190, IPC C21D 1/ 55, G01N 29/00, C21D 1/04, Bulletin No. 31, November 10, 2011, 2. Vyunenko, Yu.N. 3. Vorontsov V. B., Zhuravlev D. V. Relationship between the structure of acoustic emission signals during Al crystallization and the mechanism of solid formation phases from the melt // Bulletin of the Novgorod State University, No. 67. 2012. P. 8-13).

Недостатком данных способов (аналогов) является то, что они рассчитаны на обработку сигналов на компьютере и вывод результатов на монитор для визуального наблюдения со стороны оператора. Однако такой способ предполагает высокий уровень квалификации оператора и проработанность алгоритмов принятия решения относительно контролируемого процесса, происходящего в вакуумной камере. Для создания алгоритмов принятия решения по многочисленным процессам, протекающим в вакуумной камере при широком наборе материалов и режимов, необходим предварительный цикл исследований для каждого варианта сочетаний обрабатываемого материала и режимов обработки. Большие временные затраты и высокие требования к квалификации персонала приводят к тому, что подобные способы применяются только для научных исследований. В результате производственный контроль качества процессов обработки в вакуумных камерах в основном ведется по результатам анализа характеристик получаемых изделий. Этот недостаток сказывается на качестве получаемой продукции и времени подбора рациональных режимов обработки. Но даже при выбранных режимах существует случайный разброс в параметрах подаваемых электронных импульсов, запускающих требуемую реакцию в образцах в разных объемах. Без методов оперативного мониторинга это нельзя оценить и принять адекватное решение по дальнейшим действиям (повторить обработку, изменить технологические режимы). Существенным недостатком приведенных аналогов является и то, что из-за мощных электромагнитных помех, создаваемых электронной пушкой, размещение измерительной аппаратуры и компьютера в непосредственной близости от установки связано с большими помехами и сбоями в работе измерительной и вычислительной аппаратуры.The disadvantage of these methods (analogues) is that they are designed for processing signals on a computer and displaying the results on a monitor for visual observation by the operator. However, this method assumes a high level of operator skill and the elaboration of decision-making algorithms regarding the controlled process occurring in the vacuum chamber. To create decision-making algorithms for numerous processes occurring in a vacuum chamber with a wide range of materials and modes, a preliminary cycle of research is required for each combination of the processed material and processing modes. Large time costs and high requirements for personnel qualifications lead to the fact that such methods are used only for scientific research. As a result, production quality control of processing processes in vacuum chambers is mainly carried out based on the results of the analysis of the characteristics of the resulting products. This disadvantage affects the quality of the products obtained and the time of selection of rational processing modes. But even with the selected modes, there is a random spread in the parameters of the supplied electron pulses that trigger the required reaction in samples in different volumes. Without online monitoring methods, this cannot be assessed and an adequate decision cannot be made on further actions (repeat processing, change technological modes). A significant disadvantage of these analogs is that due to the powerful electromagnetic interference created by the electron gun, the placement of measuring equipment and a computer in the immediate vicinity of the installation is associated with large interference and malfunctions of the measuring and computing equipment.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранный в качестве прототипа (по количеству общих существенных признаков и достигаемому техническому результату) способ мониторинга электронно-пучковой технологии поверхностного легирования и термообработки в вакуумных камерах, заключающийся в присоединении к обрабатываемому объекту волновода в виде гибкой проволоки, выходящего за пределы вакуумной камеры через вакуумный ввод, закреплении на волноводе датчика колебаний, обработке информации с последнего с помощью компьютера, в качестве датчика колебаний используют акселерометр с частотной характеристикой, охватывающей слышимый и ультразвуковой частотные диапазоны, регистрации во времени, начиная от момента воздействия импульса электронного пучка, текущих значений сигналов, поступающих с акселерометра, в двух частотных диапазонах до момента падения амплитуды сигналов до уровня фоновых шумов, сравнивают полученные временные зависимости эффективных значений сигналов с экспериментально полученными эталонными зависимостями, и по результатам сравнения судят о достаточности энергии электронно-лучевого импульса или результатах протекания фазовых превращений (Патент №2698524 (дата подачи 23.08.2018, дата регистрации 28.08.2019). Способ мониторинга электронно-пучковой технологии поверхностного легирования и термообработки в вакуумных камерах. Авторы: Федоров С.В., Козочкин М.П. Опубл. 28.08.2019, Бюл. №25).The closest in technical essence to the proposed invention is the method chosen as a prototype (in terms of the number of common essential features and the technical result achieved) for monitoring the electron-beam technology of surface alloying and heat treatment in vacuum chambers, which consists in attaching a waveguide in the form of a flexible wire to the object being processed, outside the vacuum chamber through a vacuum input, fixing the vibration sensor on the waveguide, processing information from the latter using a computer, an accelerometer with a frequency response covering the audible and ultrasonic frequency ranges is used as a vibration sensor, registration in time, starting from the moment of exposure to an electronic pulse of the beam, the current values of the signals coming from the accelerometer in two frequency ranges until the signal amplitude drops to the background noise level, the obtained time dependences of the effective values of si gnals with experimentally obtained reference dependencies, and based on the results of comparison, the sufficiency of the energy of the electron beam pulse or the results of the course of phase transformations are judged (Patent No. Method for monitoring electron-beam technology of surface alloying and heat treatment in vacuum chambers. Authors: Fedorov S.V., Kozochkin M.P. Published 28.08.2019, Bull. No. 25).

Недостатком известного способа, в том числе технической проблемой является то, что оно не предназначено для оперативного информирования персонала, обслуживающего вакуумную камеру в производственных условиях. Это известное решение предназначено для проведения исследовательских работ высококвалифицированным персоналом, который хорошо разбирается в методике математической обработки сигналов вибраций и может читать графическую информацию на экране монитора. По мере накопления такой информации и сопоставления ее с результатами анализа качественных показателей обработанных поверхностей (например, равномерность покрытия легирующей пленкой, глубина ее проникновения в поверхностный слой, количество микротрещин и т.п.) может вырабатываться рекомендация по рациональным режимам обработки (мощность электронного импульса, количество импульсов, газовая среда и т.п.). Оператор, обслуживающий производственную установку с электронной пушкой, не знаком с методами вибродиагностики, но он имеет обычные навыки восприятия звуковой информации. Человеческое ухо способно воспринимать частотные и амплитудные изменения в звуковом сигнале и его модуляции. Сопоставляя эти изменения с результатами определения качественных показателей поверхностного слоя обработанных деталей, оператор может самостоятельно нарабатывать связи параметров органолептического восприятия (громкость и особенности модуляции в разных частотных диапазонах, соотношение амплитуд сигналов в разных диапазонах) с результатами анализа качества обработки. В итоге он сможет самостоятельно давать оценку протекающим процессам в вакуумной камере и принимать решения по коррекции режимов обработки или повторному облучению объекта. Это так же, как опытный водитель оценивает состояние мотора по изменениям в сопровождающем шуме.A disadvantage of the known method, including a technical problem, is that it is not intended for prompt informing the personnel servicing the vacuum chamber in production conditions. This well-known solution is intended for research work by highly qualified personnel who are well versed in the method of mathematical processing of vibration signals and can read graphic information on the monitor screen. With the accumulation of such information and its comparison with the results of the analysis of the qualitative indicators of the treated surfaces (for example, the uniformity of the coating with an alloying film, the depth of its penetration into the surface layer, the number of microcracks, etc.), a recommendation can be developed on rational processing modes (power of the electronic pulse, number of pulses, gaseous medium, etc.). An operator operating a production plant with an electron gun is not familiar with vibration diagnostics methods, but he has the usual skills of perceiving sound information. The human ear is able to perceive frequency and amplitude changes in an audio signal and its modulation. Comparing these changes with the results of determining the quality indicators of the surface layer of the processed parts, the operator can independently develop links between the parameters of organoleptic perception (loudness and modulation features in different frequency ranges, the ratio of signal amplitudes in different ranges) with the results of processing quality analysis. As a result, he will be able to independently assess the ongoing processes in the vacuum chamber and make decisions on correcting processing modes or re-irradiating the object. It's the same way an experienced driver judges the condition of an engine by changes in accompanying noise.

В основу заявленного изобретения был положен технический результат - сокращение времени освоения технологии обработки новых материалов и повышение точности настройки режимов работы технологического оборудования, определяющих параметры электронных импульсов и эффективность их воздействия на поверхность детали, и повышение качества продукции электронно-пучковой обработки за счет своевременной коррекции технологического процесса.The claimed invention was based on the technical result - reducing the time for mastering the technology of processing new materials and increasing the accuracy of setting the operating modes of technological equipment that determine the parameters of electronic pulses and the effectiveness of their impact on the surface of the part, and improving the quality of products of electron beam processing due to timely correction of technological process.

Технический результат достигается тем, что в способе получения акустической информации для мониторинга технологического процесса поверхностного легирования, заключающемся в присоединении к обрабатываемому объекту волновода в виде гибкой проволоки, выходящего через вакуумный ввод за пределы вакуумной камеры, закреплении на волноводе датчика колебаний и обработке информации с последнего с помощью компьютера, использовании в качестве датчика колебаний акселерометра с частотной характеристикой, охватывающей слышимый и ультразвуковой частотные диапазоны (например, частотный диапазон до 100 кГц), регистрации во времени, начиная от момента воздействия импульса электронного пучка, текущих значений сигналов, поступающих с акселерометра, в двух частотных диапазонах до момента падения амплитуды сигналов до уровня фоновых шумов, выделяют огибающие полученных зависимостей, которые растягивают во времени, достаточном для аудиального восприятия (например, в 50 и более раз), формируя новые огибающие, для более низкочастотного диапазона выбирают несущую частоту квазигармонического сигнала в пределах нижней части диапазона аудиального восприятия (например, в пределах от 50 до 1000 Гц), а для другого диапазона выбирают несущую частоту квазигармонического сигнала в более высоком частотном диапазоне, достаточном для комфортного аудиального различия с выбранным низкочастотным квазигармоническим сигналом (например, несущую частоту сигнала берут в два и более раз выше), в качестве частотных диапазонов, в которых регистрируют временные зависимости текущих значений сигналов с акселерометра, выбирают те частотные диапазоны, в которых по экспериментальным данным амплитуда сигнала подвергается наибольшим изменениям при вариации режимов облучения, новые огибающие используют в качестве модулирующих функций для соответствующих выбранных несущих частот, модулированные сигналы раздельно усиливают и подают на двухканальное звуковоспроизводящее устройство для воздействия на правое и левое ухо оператора соответственно.The technical result is achieved by the fact that in the method for obtaining acoustic information for monitoring the technological process of surface alloying, which consists in attaching to the processed object a waveguide in the form of a flexible wire that extends through a vacuum input outside the vacuum chamber, fixing an oscillation sensor on the waveguide and processing information from the latter with using a computer, using an accelerometer as a vibration sensor with a frequency response covering the audible and ultrasonic frequency ranges (for example, the frequency range up to 100 kHz), recording in time, starting from the moment of exposure to an electron beam pulse, the current values of the signals coming from the accelerometer, in two frequency ranges until the signal amplitude falls to the background noise level, the envelopes of the obtained dependencies are isolated, which are stretched in time sufficient for auditory perception (for example, 50 or more times), forming new envelopes, for a lower frequency range, a quasi-harmonic signal carrier frequency is selected within the lower part of the auditory perception range (for example, in the range from 50 to 1000 Hz), and for another range, a quasi-harmonic signal carrier frequency is selected in a higher frequency range sufficient for a comfortable auditory difference with the selected low-frequency quasi-harmonic signal (for example, the carrier frequency of the signal is taken two or more times higher), as the frequency ranges in which the time dependences of the current values of the signals from the accelerometer are recorded, those frequency ranges are selected in which, according to experimental data, the signal amplitude undergoes the greatest changes at variations of irradiation modes, new envelopes are used as modulating functions for the corresponding selected carrier frequencies, the modulated signals are separately amplified and fed to a two-channel sound reproducing device to affect the right and left ears, the operator and accordingly.

Изобретение поясняется графическими изображениями, где представлены:The invention is illustrated by graphic images, which show:

на фиг. 1 - схема установки аппаратуры, реализующей предлагаемый способ, для записи и анализа сигналов вибраций с акселерометра, возникающих после подачи электронного импульса, и преобразования их в звуковой сигнал, воздействующий на органы слуха оператора;in fig. 1 is a diagram of the installation of equipment that implements the proposed method for recording and analyzing vibration signals from an accelerometer that occur after an electronic pulse is applied and converting them into an audio signal that affects the operator's hearing organs;

на фиг. 2 - пример записи импульса вибраций, возникшего после подачи электронного импульса, отфильтрованного в одной из частотных полос 10-19 кГц, и его огибающая;in fig. 2 - an example of recording a vibration pulse that arose after applying an electronic pulse filtered in one of the frequency bands 10-19 kHz, and its envelope;

на фиг. 3 - пример новой огибающей после растяжения в 100 раз и вид квазигармонического сигнала, модулированного новой огибающей;in fig. 3 is an example of a new envelope after stretching by 100 times and a view of the quasi-harmonic signal modulated by the new envelope;

на фиг. 4 - пример двух квазигармонических сигналов, сформированных в соответствии с предлагаемым способом, подаваемых на органы слуха оператора.in fig. 4 - an example of two quasi-harmonic signals generated in accordance with the proposed method, applied to the operator's hearing organs.

В соответствии с изобретением на фиг. 1 показан пример схемы, реализующей аппаратную часть предлагаемого способа, где с обрабатываемым образцом 1 контактирует волновод 2, выполненный из гибкой проволоки и выходящий из вакуумной камеры через вакуумный ввод, противоположный конец которого присоединен к принимающей пластине 3, на которой установлен акселерометр 4, выход которого подключен к предусилителю 5, подключаемому к аналоговому усилителю 6, на выходе которого установлен аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, данные которого с помощью компьютера 8 сохраняются для последующей обработки в соответствии с заявляемым способом и формирования двухканального акустического отображения сигнала вибраций, которое дифференцированно подается на наушники 9, имеющие устройства усиления и балансировки каналов, используемые оператором.In accordance with the invention in FIG. 1 shows an example of a circuit that implements the hardware of the proposed method, where a waveguide 2, made of flexible wire, contacts the processed sample 1 and exits the vacuum chamber through a vacuum input, the opposite end of which is connected to the receiving plate 3, on which the accelerometer 4 is installed, the output of which connected to the preamplifier 5 connected to the analog amplifier 6, at the output of which an analog-to-digital converter (ADC) 7 is installed, the data of which is stored using a computer 8 for further processing in accordance with the claimed method and the formation of a two-channel acoustic display of the vibration signal, which is differentially supplied on headphones 9 with amplification and channel balancing devices used by the operator.

На фиг. 2 показан пример вибрационного сигнала 10, возникшего в результате подачи электронного импульса на обрабатываемый образец 1. На примере показан вид импульса длительностью 50 мс после фильтрации полосовым фильтром 10-19 кГц. Огибающая 11 для сигнала 10, необходимая в соответствии с заявленным способом, построена путем последовательного вычисления эффективных (среднеквадратичных) значений амплитуды на коротких отрезках времени (в данном случае брались отрезки по 40 мкс). Длина временных отрезков определяет подробности сигнала, описываемые с помощью огибающей. Очень подробное описание не имеет смысла, т.к. их не различает человеческое ухо, грубое описание теряет существенные подробности. Таким же образом может строиться и пиковая огибающая, где для каждого отрезка времени выделяется максимальное значение. Однако практика показывает, что эти варианты огибающих почти эквидистантны и не влияют на улучшение аудиального восприятия.In FIG. 2 shows an example of a vibration signal 10 resulting from the application of an electronic pulse to the processed sample 1. The example shows the appearance of a pulse with a duration of 50 ms after filtering with a bandpass filter of 10-19 kHz. The envelope 11 for the signal 10, required in accordance with the claimed method, is built by sequentially calculating the effective (rms) amplitude values in short time intervals (in this case, 40 μs intervals were taken). The length of the time slices determines the details of the signal described by the envelope. A very detailed description does not make sense, because they are not distinguished by the human ear, a rough description loses essential details. The peak envelope can be built in the same way, where the maximum value is allocated for each time interval. However, practice shows that these envelope options are almost equidistant and do not improve the auditory perception.

На фиг. 3 показана новая огибающая 12 после растяжения в 100 раз начальной огибающей 11 и квазигармонический сигнал 13, модулированный новой огибающей 12. На вставке 14 показан увеличенный участок квазигармонического сигнала, модулированного новой огибающей, и несущий сигнал с постоянной частотой (в данном случае 70 Гц).In FIG. 3 shows the new envelope 12 after stretching by 100 times the initial envelope 11 and the quasi-harmonic signal 13 modulated by the new envelope 12. Inset 14 shows an enlarged portion of the quasi-harmonic signal modulated by the new envelope and a carrier signal at a constant frequency (70 Hz in this case).

На фиг. 4 показан пример двух квазигармонических сигналов, сформированных для озвучивания сигналов вибраций в двух частотных диапазонов (были выбраны два частотных диапазона: 10-19 кГц и 19-40 кГц). Новые огибающие модулируют несущие сигналы на частотах 70 Гц для полосы 10-19 кГц и 250 Гц для полосы 19-40 кГц. Громкость квазигармонических сигналов выравнивается для их комфортного восприятия оператором при одновременном дифференцированном прослушивании разными ушами. Дифференцированное усиление устанавливается заранее на основании экспериментов с типовыми сигналами конкретного технологического процесса. При таком подходе обеспечивается максимальная информативность каждого канала. Дифференцированное усиление делается для балансировки сигналов в разных каналах. Высокой информативностью может обладать сигнал, изначально имеющий относительно маленькую амплитуду. Для улучшения его восприятия на фоне сигнала другого канала требуется балансировка (обычно такое устройство присутствует в стерео аппаратуре). Для начальной установки баланса каналов можно выравнивать максимумы квазигармонических сигналов для типовых условий технологического процесса.In FIG. Figure 4 shows an example of two quasi-harmonic signals formed to sound vibration signals in two frequency ranges (two frequency ranges were chosen: 10-19 kHz and 19-40 kHz). The new envelopes modulate carrier signals at 70 Hz for the 10-19 kHz band and 250 Hz for the 19-40 kHz band. The volume of quasi-harmonic signals is equalized for their comfortable perception by the operator with simultaneous differentiated listening with different ears. The differential gain is set in advance based on experiments with typical process signals. With this approach, the maximum information content of each channel is ensured. Differential gain is done to balance signals in different channels. A signal that initially has a relatively small amplitude can be highly informative. To improve its perception against the background of the signal of another channel, balancing is required (usually such a device is present in stereo equipment). To initially set the channel balance, you can equalize the peaks of the quasi-harmonic signals for typical process conditions.

Способ акустического мониторинга электронно-лучевой технологии в вакуумных камерах осуществляется следующим образом. В соответствии с фиг. 1 из вакуумной камеры выводится гибкий волновод 2, который механически соединен с обрабатываемым образцом 1. Для вывода из вакуумной камеры участок волновода уплотняется. Противоположный конец волновода 2 присоединен к принимающей пластине 3, на которой установлен акселерометр 4, выход которого подключен к предусилителю 5, подключаемому к аналоговому усилителю 6, на выходе которого установлен аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, данные которого с помощью компьютера 8 сохраняются для последующей обработки и формирования акустического отображения сигнала вибраций, которое подается на наушники 9, используемые оператором.The method of acoustic monitoring of electron-beam technology in vacuum chambers is carried out as follows. In accordance with FIG. 1, a flexible waveguide 2 is removed from the vacuum chamber, which is mechanically connected to the processed sample 1. For the output from the vacuum chamber, the section of the waveguide is compacted. The opposite end of the waveguide 2 is connected to the receiving plate 3, on which the accelerometer 4 is installed, the output of which is connected to the preamplifier 5, connected to the analog amplifier 6, at the output of which the analog-to-digital converter (ADC) 7 is installed, the data of which is stored by computer 8 for further processing and formation of an acoustic display of the vibration signal, which is fed to the headphones 9 used by the operator.

Практика показала, что длительность вибрационного сигнала, возникающего после облучения детали, составляет около 50 мс. Основная энергия сигнала сосредоточена на еще более коротком участке, иногда доходящем до 15 мс. Если такой сигнал подать в наушники оператора, то он с трудом сможет оценить только амплитуду импульса. На самом деле человеческое ухо может различать множество оттенков сигнала, включая изменения амплитуды и частотного состава, но только при достаточной длительности анализируемого импульса (это 5-10 секунд). При наличии опыта оператор может на слух оценивать ход процесса и вовремя реагировать на нежелательные отклонения. При изменении состава обрабатываемых материалов оператор может не дожидаться проведения исследователями испытаний различных режимов обработки, а самостоятельно на слух определять подходящее сочетание варьируемых режимов, сопоставляя их с последующими результатами анализа качества полученных поверхностей (после извлечения из вакуумной камеры).Practice has shown that the duration of the vibration signal that occurs after the irradiation of the part is about 50 ms. The main energy of the signal is concentrated in an even shorter section, sometimes reaching up to 15 ms. If such a signal is fed into the operator's headphones, he will hardly be able to assess only the amplitude of the pulse. In fact, the human ear can distinguish many shades of the signal, including changes in amplitude and frequency composition, but only with a sufficient duration of the analyzed pulse (this is 5-10 seconds). With experience, the operator can evaluate the progress of the process by ear and respond in time to unwanted deviations. When the composition of the processed materials changes, the operator may not wait for the researchers to test various processing modes, but independently determine by ear the appropriate combination of variable modes, comparing them with the subsequent results of the analysis of the quality of the surfaces obtained (after extraction from the vacuum chamber).

Однако просто растянуть во времени сигнал исходного импульса не лучший вариант, поскольку в этом случае все частоты, входящие в спектр вибрационного сигнала (в основном это собственные частоты канала, соединяющего обрабатываемую деталь с акселерометром) будут уменьшены в такое же число раз, во сколько увеличено время импульса. Получается, что на небольшом низкочастотном промежутке будет сосредоточено множество частот, которые раньше были распределены в частотном диапазоне в 100-200 раз большем (при длинном волноводе основная энергия вибраций сосредоточена на частотах до 20-30 кГц). Получается такой шумовой сигнал, в котором трудно разобрать отдельные составляющие. Надо еще учитывать, что миниатюрная акустическая аппаратура хуже передает самые низкие частоты. Возникает нижний порог около 30-40 Гц, попавшие туда составляющие будет трудно разобрать на фоне составляющих в более высокочастотном диапазоне. В связи с этим в предлагаемом способе было решено, из состава сигнала вибраций выделять два частотных диапазона и их звуковым отображением воздействовать на разные уши оператора. Для этого исходный сигнал фильтруется в этих 2-х частотных диапазонах, и строятся начальные огибающие (график 11 на фиг. 2) для каждого диапазона. Начальные огибающие растягиваются до времени, достаточного для аудиального восприятия (это 4-10 секунд). Просто меняется масштаб времени, например, в 100-200 раз. Для каждого выделенного диапазона выбирается своя несущая частота квазигармонического сигнала, который должен модулироваться новой (растянутой) огибающей. Т.о., получаются два квазигармонических сигнала (пример 13 на фиг. 3), которые затем дифференцированно усиливаются и запускаются в разные наушники оператора. В этом случае на оператора воздействует не сложный шумовой сигнал, а упрощенный, состоящий из двух квазигармонических составляющих, оттенки (амплитуда, модуляция, соотношение амплитуд в разных диапазонах в разные моменты времени) изменения которых человек в состоянии уловить. Преобразованный сигнал запускается в наушники с некоторым запаздыванием (менее одной секунды), определяемым временем преобразования в компьютере, которое не сказывается на времени дальнейшего принятия решения оператором.However, simply stretching the signal of the initial pulse in time is not the best option, since in this case all frequencies included in the spectrum of the vibration signal (mainly the natural frequencies of the channel connecting the workpiece to the accelerometer) will be reduced by the same number of times as the time is increased impulse. It turns out that many frequencies will be concentrated in a small low-frequency gap, which were previously distributed in a frequency range 100-200 times larger (with a long waveguide, the main vibration energy is concentrated at frequencies up to 20-30 kHz). It turns out such a noise signal, in which it is difficult to disassemble the individual components. It should also be taken into account that miniature acoustic equipment transmits the lowest frequencies worse. There is a lower threshold of about 30-40 Hz, the components that got there will be difficult to make out against the background of components in a higher frequency range. In this regard, in the proposed method, it was decided to single out two frequency ranges from the composition of the vibration signal and to influence the different ears of the operator with their sound display. To do this, the original signal is filtered in these 2 frequency ranges, and the initial envelopes are built (graph 11 in Fig. 2) for each range. The initial envelopes are stretched to a time sufficient for auditory perception (this is 4-10 seconds). It just changes the time scale, for example, 100-200 times. For each selected range, its own carrier frequency of the quasi-harmonic signal is selected, which must be modulated by a new (stretched) envelope. Thus, two quasi-harmonic signals are obtained (example 13 in Fig. 3), which are then differentially amplified and launched into different operator's headphones. In this case, the operator is affected not by a complex noise signal, but by a simplified one, consisting of two quasi-harmonic components, shades (amplitude, modulation, ratio of amplitudes in different ranges at different points in time) whose changes a person is able to catch. The converted signal is launched into the headphones with a certain delay (less than one second), determined by the conversion time in the computer, which does not affect the time for further decision-making by the operator.

Выбор двух частотных диапазонов, в которых фильтруется исходный сигнал, делается заранее. Он определяется составом собственных частот канала наблюдения вибраций, распределением мощности импульсов по частотному диапазону и частотами, на которых амплитуда сигнала подвергается наибольшим изменениям от импульса к импульсу при вариации режимов облучения, сопровождающих электронно-пучковую обработку. Частотный диапазон не должен быть слишком узким из-за появления в этом случае неустойчивости амплитуды сигнала, наиболее приемлемой шириной частотного диапазона является диапазон порядка одной октавы. Выбор наилучших диапазонов проводится на основании экспериментальных данных. В примере на фиг. 4 показаны два квазигармонических сигнала, сформированные для озвучивания двух частотных диапазонов, в которых происходили наибольшие изменения амплитуды при вариациях рабочих импульсов электронной пушки.The choice of two frequency ranges in which the original signal is filtered is done in advance. It is determined by the composition of the natural frequencies of the vibration observation channel, the distribution of the pulse power over the frequency range, and the frequencies at which the signal amplitude undergoes the greatest changes from pulse to pulse with variations in the irradiation modes accompanying electron beam processing. The frequency range should not be too narrow due to the appearance in this case of instability of the signal amplitude, the most acceptable width of the frequency range is the range of the order of one octave. The choice of the best ranges is carried out on the basis of experimental data. In the example in FIG. Figure 4 shows two quasi-harmonic signals formed to sound two frequency ranges, in which the largest amplitude changes occurred with variations in the working pulses of the electron gun.

Выбор несущих частот квазигармонических сигналов тоже делается заранее и ориентируется на восприятие человеком этих сигналов и их различимость при совместном звучании. Для хорошего аудиального различия необходимо, чтобы несущие частоты различались в два или более раз (по этой причине применяется стандартное разбиение частотного диапазона на октавы). Воздействие каждого квазигармонического сигнала на разные уши оператора улучшает дифференциальное восприятие их особенностей, определяемых ходом технологического процесса. В качестве частотного диапазона для несущих частот квазигармонических сигналов используется аудиальный диапазон наилучшего восприятия (Условно область слухового восприятия можно разделить на три области: 20…300 Гц - низкая; 300…3000 Гц - средняя; 3000…20000 Гц - высокая. https://nssound.ru/o-zvuke-i-zvukovykh-signalakh/oblast-sluhovogo-vosprijatija-cheloveka/). Наименьшую несущую частоту предпочтительней брать из нижней части диапазона аудиального восприятия (в примере была использована частота 70 Гц), но выше 50 Гц, что связано с особенностями воспроизводящей аппаратуры. Для другого канала частота берется в два или более раз выше. При этом не исключается ориентация на пожелания оператора. В данном случае вторая несущая частота была 250 Гц.The choice of carrier frequencies of quasi-harmonic signals is also made in advance and is guided by the human perception of these signals and their distinguishability when they sound together. Good audial distinction requires that the carrier frequencies differ by a factor of two or more (for this reason, the standard octave division of the frequency range is used). The impact of each quasi-harmonic signal on different ears of the operator improves the differential perception of their features, determined by the course of the technological process. As a frequency range for the carrier frequencies of quasi-harmonic signals, the auditory range of the best perception is used (Conventionally, the area of auditory perception can be divided into three areas: 20 ... 300 Hz - low; 300 ... 3000 Hz - medium; 3000 ... 20000 Hz - high. https:// nssound.ru/o-zvuke-i-zvukovykh-signalakh/oblast-sluhovogo-vosprijatija-cheloveka/). It is preferable to take the lowest carrier frequency from the lower part of the auditory perception range (in the example, a frequency of 70 Hz was used), but above 50 Hz, which is due to the peculiarities of the reproducing equipment. For another channel, the frequency is taken two or more times higher. This does not exclude the orientation on the wishes of the operator. In this case, the second carrier frequency was 250 Hz.

На фиг. 2 и 3 поэтапно показана последовательность преобразования сигнала в одном из выбранных частотных диапазонов (10-19 кГц). Эти данные были взяты из результатов экспериментальной обработки сигналов вибраций при электронно-пучковом облучении стальной пластины, покрытой пленкой NbHf. В результате облучения запускалась химическая реакция с образованием нитридной фазы (NbHf)N. Для озвучивания процесса были выбраны две частотные полосы 10-19 и 19-40 кГц. Преобразования в полосе 10-19 кГц показаны на фиг. 2 и 3, такие же преобразования были сделаны для второй полосы. В качестве несущих частот были выбраны частоты 70 и 250 Гц. Для улучшения восприятия звука на частоте 250 Гц перед подачей в наушники соответствующий квазигармонический сигнал был усилен в 6 раз для выравнивания максимальных значений амплитуд обоих сигналов. В результате были получены квазигармонические импульсы длительностью в 5 секунд (графики 15 и 16 на фиг 4), где в самом начале выделяются звуки на частоте 250 Гц, далее преобладают звуки на низкой частоте, модулированные волнообразным характером процессов мартенситного преобразования. При выборе частотных диапазонов желательно учитывать и то, чтобы огибающие обоих сигналов не были бы эквидистантными.In FIG. 2 and 3 show step by step the sequence of signal conversion in one of the selected frequency ranges (10-19 kHz). These data were taken from the results of experimental processing of vibration signals during electron-beam irradiation of a steel plate coated with an NbHf film. As a result of irradiation, a chemical reaction was triggered with the formation of the nitride phase (NbHf)N. To sound the process, two frequency bands 10-19 and 19-40 kHz were chosen. The transformations in the 10-19 kHz band are shown in FIG. 2 and 3, the same transformations were made for the second strip. Frequencies of 70 and 250 Hz were chosen as carrier frequencies. To improve the perception of sound at a frequency of 250 Hz, the corresponding quasi-harmonic signal was amplified by a factor of 6 before being fed into the headphones to equalize the maximum amplitudes of both signals. As a result, quasi-harmonic pulses with a duration of 5 seconds were obtained (plots 15 and 16 in Fig. 4), where sounds at a frequency of 250 Hz are distinguished at the very beginning, then sounds at a low frequency predominate, modulated by the wave-like nature of martensitic transformation processes. When choosing frequency ranges, it is desirable to take into account that the envelopes of both signals would not be equidistant.

Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в независимом пункте формулы изобретения, обеспечивает получение заявленного технического результата - сокращение времени освоения технологии обработки новых материалов и повышение точности настройки режимов работы технологического оборудования, определяющих параметры электронных импульсов и эффективность их воздействия на поверхность детали, и повышение качества продукции электронно-пучковой обработки за счет своевременной коррекции технологического процесса.Thus, the claimed set of essential features, reflected in the independent claim, provides the claimed technical result - reducing the time for mastering the technology of processing new materials and increasing the accuracy of setting the operating modes of technological equipment that determine the parameters of electronic pulses and the effectiveness of their impact on the surface of the part, and improving the quality of products of electron-beam processing due to the timely correction of the technological process.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.An analysis of the claimed technical solution for compliance with the conditions of patentability showed that the features indicated in the formula are essential and interconnected with the formation of a stable set of necessary features, unknown at the priority date from the prior art and sufficient to obtain the required synergistic (supertotal) technical result.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:Thus, the above information testifies to the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed technical solution:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для реализации электрофизических методов обработки, в частности электронно-лучевой обработки в вакуумных камерах;- an object that embodies the claimed technical solution, in its implementation is intended for the implementation of electrophysical processing methods, in particular electron beam processing in vacuum chambers;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте нижеизложенной формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке и/или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;- for the declared object in the form as it is characterized in the independent clause of the formula below, the possibility of its implementation using the means and methods described above in the application and / or known from the prior art on the priority date is confirmed;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.- an object embodying the claimed technical solution, in its implementation, is capable of achieving the technical result perceived by the applicant.

Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.Therefore, the claimed object meets the criteria of patentability "novelty", "inventive step" and "industrial applicability" under the current legislation.

РИД создан по теме 18-25/рнф (Соглашение №18-19-00599 между Российским научным фондом и ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН»).The RIA was created on the topic 18-25 / rnf (Agreement No. 18-19-00599 between the Russian Science Foundation and FGBOU VO MSTU STANKIN).

Claims (1)

Способ получения акустической информации для мониторинга технологического процесса поверхностного легирования керамического и твердосплавного инструмента, заключающийся в присоединении к обрабатываемому объекту волновода в виде гибкой проволоки, выходящего через вакуумный ввод за пределы вакуумной камеры, закреплении на волноводе датчика колебаний и обработке информации с последнего с помощью компьютера, использовании в качестве датчика колебаний акселерометра с частотной характеристикой, охватывающей слышимый и ультразвуковой частотные диапазоны, регистрации во времени, начиная от момента воздействия импульса электронного пучка, текущих значений сигналов, поступающих с акселерометра, в двух частотных диапазонах до момента падения амплитуды сигналов до уровня фоновых шумов, отличающийся тем, что выделяют огибающие полученных зависимостей, которые растягивают во времени, достаточном для аудиального восприятия, формируя новые огибающие, для более низкочастотного диапазона выбирают несущую частоту квазигармонического сигнала в пределах нижней части диапазона аудиального восприятия, а для другого диапазона выбирают несущую частоту квазигармонического сигнала в более высоком частотном диапазоне, достаточном для комфортного аудиального различия с выбранным низкочастотным квазигармоническим сигналом, в качестве частотных диапазонов, в которых регистрируют временные зависимости текущих значений сигналов с акселерометра, выбирают те частотные диапазоны, в которых по экспериментальным данным амплитуда сигнала подвергается наибольшим изменениям при вариации режимов облучения, новые огибающие используют в качестве модулирующих функций для соответствующих выбранных несущих частот, модулированные сигналы раздельно усиливают и подают на двухканальное звуковоспроизводящее устройство для воздействия на правое и левое уши оператора соответственно.A method for obtaining acoustic information for monitoring the technological process of surface alloying of ceramic and hard-alloy tools, which consists in attaching a waveguide in the form of a flexible wire to the object being processed, which goes through a vacuum input outside the vacuum chamber, fixing an oscillation sensor on the waveguide and processing information from the latter using a computer, using an accelerometer as a vibration sensor with a frequency response covering the audible and ultrasonic frequency ranges, recording in time, starting from the moment of exposure to an electron beam pulse, the current values of the signals coming from the accelerometer in two frequency ranges until the signal amplitude drops to the level of background noise , characterized in that the envelopes of the obtained dependencies are selected, which are stretched in time sufficient for auditory perception, forming new envelopes, for a lower frequency range, a carrier is selected frequency of the quasi-harmonic signal within the lower part of the auditory perception range, and for the other range, the carrier frequency of the quasi-harmonic signal in a higher frequency range, sufficient for a comfortable auditory difference with the selected low-frequency quasi-harmonic signal, is selected as the frequency ranges in which the time dependences of the current values are recorded signals from the accelerometer, those frequency ranges are selected in which, according to experimental data, the signal amplitude undergoes the greatest changes with varying irradiation modes, new envelopes are used as modulating functions for the corresponding selected carrier frequencies, the modulated signals are separately amplified and fed to a two-channel sound reproducing device to affect right and left ears of the operator, respectively.
RU2020140918A 2020-12-11 2020-12-11 Method for obtaining acoustic information for monitoring the technological process of surface alloying of ceramic and hard-alloyed tools RU2763863C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020140918A RU2763863C1 (en) 2020-12-11 2020-12-11 Method for obtaining acoustic information for monitoring the technological process of surface alloying of ceramic and hard-alloyed tools

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020140918A RU2763863C1 (en) 2020-12-11 2020-12-11 Method for obtaining acoustic information for monitoring the technological process of surface alloying of ceramic and hard-alloyed tools

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2763863C1 true RU2763863C1 (en) 2022-01-11

Family

ID=80040250

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020140918A RU2763863C1 (en) 2020-12-11 2020-12-11 Method for obtaining acoustic information for monitoring the technological process of surface alloying of ceramic and hard-alloyed tools

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2763863C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0633223A (en) * 1992-07-20 1994-02-08 Nissin Electric Co Ltd Film coating product and its production
JP6033223B2 (en) * 2010-07-29 2016-11-30 シェフラー テクノロジーズ アー・ゲー ウント コー. カー・ゲーSchaeffler Technologies AG & Co. KG Release unit for dual clutch and manufacturing method thereof
CN109338319A (en) * 2018-11-02 2019-02-15 太原理工大学 A method of improving carbide surface titanium aluminium nitrogen coating obdurability
RU2698524C1 (en) * 2018-08-23 2019-08-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") Method of monitoring electron-beam technology of surface alloying and thermal treatment in vacuum chambers
RU2727339C1 (en) * 2019-09-18 2020-07-21 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") Method for outputting audio information about the technological process of electron-beam action
RU2727338C1 (en) * 2019-09-18 2020-07-21 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") Method for acoustic monitoring of electron-beam surface alloying in vacuum chambers

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0633223A (en) * 1992-07-20 1994-02-08 Nissin Electric Co Ltd Film coating product and its production
JP6033223B2 (en) * 2010-07-29 2016-11-30 シェフラー テクノロジーズ アー・ゲー ウント コー. カー・ゲーSchaeffler Technologies AG & Co. KG Release unit for dual clutch and manufacturing method thereof
RU2698524C1 (en) * 2018-08-23 2019-08-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") Method of monitoring electron-beam technology of surface alloying and thermal treatment in vacuum chambers
CN109338319A (en) * 2018-11-02 2019-02-15 太原理工大学 A method of improving carbide surface titanium aluminium nitrogen coating obdurability
RU2727339C1 (en) * 2019-09-18 2020-07-21 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") Method for outputting audio information about the technological process of electron-beam action
RU2727338C1 (en) * 2019-09-18 2020-07-21 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") Method for acoustic monitoring of electron-beam surface alloying in vacuum chambers

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Fastl et al. Psychoacoustics: facts and models
Duifhuis Consequences of peripheral frequency selectivity for nonsimultaneous masking
Smoorenburg et al. Correlates of combination tones observed in the response of neurons in the anteroventral cochlear nucleus of the cat
Houtgast et al. Lateralization threshold of a signal in noise
Derleth et al. On the role of envelope fluctuation processing in spectral masking
Sottek A hearing model approach to time-varying loudness
Tarn et al. Developing psycho-acoustic experiments in gas metal arc welding
RU2727339C1 (en) Method for outputting audio information about the technological process of electron-beam action
RU2763863C1 (en) Method for obtaining acoustic information for monitoring the technological process of surface alloying of ceramic and hard-alloyed tools
RU2727338C1 (en) Method for acoustic monitoring of electron-beam surface alloying in vacuum chambers
RU2698524C1 (en) Method of monitoring electron-beam technology of surface alloying and thermal treatment in vacuum chambers
JP2532007B2 (en) Hearing aid fitting device
Duifhuis Perceptual analysis of sound
Moore Interference effects and phase sensitivity in hearing
Ries et al. The role of temporal-masking patterns in the determination of subjective duration and loudness for ramped and damped sounds
Faulkner Pitch discrimination of harmonic complex signals: Residue pitch or multiple component discriminations?
Gockel et al. Influence of component phase on the loudness of complex tones
US11516607B2 (en) Method and device for controlling the distortion of a loudspeaker system on board a vehicle
Yost et al. Critical bands and critical ratios in animal psychoacoustics: An example using chinchilla data
Kohlrausch et al. Binaural masking level differences in nonsimultaneous masking
Zerbs Modelling the effective binaural signal processing in the auditory system
Zwicker Otoacoustic emissions and cochlear travelling waves
Kondylidis et al. Spatial buildup of cochlear compression revisited
EP1835487B1 (en) Method, apparatus and computer program for calculating and adjusting the perceived loudness of an audio signal
US20230096292A1 (en) Method for improving sound quality of sound reproductions or sound recordings in a room