Методика автоматизации процесса разработки тензорезисторных силоизмерительных датчиков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Гавриленков Сергей Игоревич

• Гавриленков Сергей Игоревич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Гавриленков Сергей Игоревич

Список сокращений

Введение

Глава 1. Обзор методов автоматизации разработки наукоёмкой продукции,

включая тензорезисторные датчики

1.1 Современные тензорезисторные силоизмерительные датчики

1.2 Обзор методов разработки силоизмерительных тензорезисторных датчиков

1.3 Обзор методов разработки наукоемких изделий с применением концепций ЕИП и цифрового производства

1.4 Выводы по главе

Глава 2. Обобщённая математическая модель тензорезисторного

силоизмерительного датчика

2.1 Входные и выходные параметры математической модели

2.2 Способ расчёта переменной части себестоимости датчика

2.3 Способ расчёта трудоёмкости изготовления УЭ

2.4 Методика расчета времени монтажа МИС и расчета части себестоимости датчика, связанной с монтажом МИС

2.5 Методика расчета гистерезиса силоизмерительного датчика

2.6 Метод расчета значения метрологических параметров (РКП, нелинейность) по заданному значению геометрических параметров УЭ

и конфигурации МИС

2.7 Методика суррогатного моделирования метрологических параметров датчика

2.8 Методика определения среднего значения и СКО метрологического параметра с учетом особенностей монтажа МИС для заданных значений размеров УЭ

Стр.

2.9 Способ расчета выходного сигнала МИС для заданного напряженно-деформированного состояния УЭ, конфигурации МИС и положений тензорезисторов

2.10 Метод оценки технологичности варианта упругого элемента

2.11 Метод оценки прочности и надежности силоизмерительного датчика

2.12 Метод оценки чувствительности датчика к неравномерному нагреву

2.13 Способ расчёта динамических характеристик тензорезисторного силоизмерительного датчика

2.14 Выводы по главе

Глава 3. Методика автоматизации процессов разработки силоизмерительных

датчиков

3.1 Укрупненная схема методики

3.2 Алгоритм подбора рациональных параметров датчика

3.3 Реализация разработанной методики в авторской программе «АРТСД»

3.3.1 Модуль для определения управляющих параметров и критериев качества

3.3.2 Модуль настройки эксперимента по исследованию пространства параметров

3.3.3 Модуль визуализации результатов и управления решениями

3.4 Выводы по главе

Глава 4. Тестирование Обобщённой математической модели

4.1 Верификация точности расчёта деформаций и нелинейности деформаций при помощи пакета Соёе_Лв1ег

4.2 Тестирование метода определения интервала вариации РКП

4.3 Выводы по главе

Глава 5. применение разработанной методики для создания нового типа

столбикового силоизмерительного датчика для автомобильных весов

5.1 Описание конструкции датчика МБК-20

5.2 Выбор варьируемых параметров

Стр.

5.3 Выходные параметры ОММ, реализованной применительно к датчику МБК-20

5.3.1 Реализация обобщённой математической модели для критерия №шбок

5.3.2 Реализация ОММ для критериев ^РКП, сРКП, №Л, сНЛ

5.3.3 Построение суррогатных моделей для ускорения вычисления критериев качества

5.3.4 Реализация ОММ для критерия ТУЭ

5.3.5 Реализация ОММ применительно к критериям ТМИСи Сшг

5.3.6 Нереализованные математические модели

5.4 Выбор рациональных параметров датчика МБК-20

5.4.1 Предварительное исследование чувствительности

5.4.2 Первоначальное исследование пространства управляющих критериев

5.4.3 Второе исследование пространства параметров

5.4.4 Третье исследование пространства управляющих параметров

5.4.5 Изготовление опытной партии датчиков МБК-20

5.4.6 Метрологические характеристики датчиков типа МБК-20 в опытной партии

5.4.7 Сравнение характеристик датчика МБК-20 и МВ150-20

5.5 Выводы по главе

Основные результаты и выводы

Список литературы

Приложение

CAD CAM

MES

PLM

АСУ

АСУТП

АРТСД

ГПИ

ЕИП

ЖЦ

ЖЦП

ЛПР

МБК-20

МИС

МКЭ

НДС

НКП

ОММ

РКП

САО

СКО

ТП

УЭ

ЧПУ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

Computer Aided Design Computer Aided Manufacturing Manufacturing Executation system Product Lifecycle Management Автоматизированная система управления

Автоматизированная система управления технологическим процессом Автоматизация разработки тензорезисторных силоизмерительных датчиков (название разработанной прикладной программы) Графический пользовательский интерфейс Единое информационное пространство Жизненный цикл Жизненный цикл продукции Лицо, принимающее решение Версия датчика МВ150-20 "без кремния" Мостовая измерительная схема Метод Конечных Элементов Напряжённо-деформированное состояние начальный коэффициент передачи Обобщенная математическая модель Рабочий коэффициент передачи Средняя абсолютная ошибка Среднеквадратическое отклонение Технологический процесс Упругий элемент

Числовое Программное управление

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика автоматизации процесса разработки тензорезисторных силоизмерительных датчиков»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования Тензорезисторные силоизмерительные датчики нашли широкое применение в различных областях науки и промышленности: в автомобильных, платформенных и бункерных весах, дозаторах, различных устройствах автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП), в устройствах для мониторинга нагрузки и технического состояния объектов инфраструктуры.

В связи с внедрением концепции «Промышленность 4.0» (Industry 4.0), а также продолжающейся автоматизации и роботизации отечественной и зарубежной промышленности повышается спрос на индивидуализированные датчики для измерения усилий в технологических процессах и конструкциях промышленных роботов. Чтобы производители силоизмерительных датчиков могли оперативно реагировать на запросы рынка, необходимо уменьшать цикл разработки датчиков, начиная этапом проектирования и заканчивая разработкой технологического процесса производства и его подготовки. Кроме того, следует сокращать трудоёмкость и увеличивать технологичность продукции, выпускаемой серийно и крупными сериями.

При управлении жизненным циклом (ЖЦ) датчика на стадиях разработки новых датчиков и проектирования технологического процесса (ТП) их изготовления необходимо учитывать не только метрологические характеристики датчика, но и факторы, влияющие на рентабельность продукции (себестоимость датчика) и способность предприятия выпускать такие датчики (время изготовления одного датчика). Также необходимо учитывать влияние особенностей технологического процесса производства на показатели качества датчика.

Данные проблемы эффективно решаются путем применения концепции жизненного цикла продукции (ЖЦП) путем объединения информации о всех аспектах ЖЦ датчика в едином информационном пространстве (ЕИП). Таким обра-

зом, при разработке датчика и управлении его ЖЦ учитываются интересы максимального количество сторон-участников жизненного цикла изделия.

Степень разработанности темы исследования. В современных научных работах имеется большой задел по проектированию упругих элементов датчиков давления и силы. Научные основы разработки датчиков силы и давления заложены в работах D. M. Stefanescu, Стучебникова В.М., Гаврюшина С.С. Большая работа по совершенствованию характеристик тензорезисторных датчиков Robinson G.M., Yunjian G, Liang W, Zhang X, Xiong L. В работах Anwer N, Zhu W, Siedlak D, Овсянникова М.В., Норенкова И.П., Евгенева Г.Б., Братухина А.Г., приведены основные теоретические положения в области автоматизации информационной поддержки ЖЦП. Теоретические основы современных производственных технологий (лазерные аддитивные технологии, напыление покрытий, алмазное точение, диагностика станков и оборудования) в цифровом производстве были заложены в работах Григорьянца А.Г., Панфилова Ю.В., Грубого С.В., Утенкова В.М.

Анализ существующих отечественных и зарубежных работ в области разработки специальных систем информационной поддержки ЖЦП, а также работ, посвященных проектированию и оптимизации одно- и многокомпонентных силоиз-мерительных датчиков показал, что требуется их дальнейшее развитие и совершенствование в части разработки специализированной системы автоматизации процесса разработки новых наукоёмких изделий применительно к специфике тензорезисторных силоизмерительных датчиков, что обусловливает актуальность темы исследования.

Целью работы является создание комплексной методики автоматизации процесса разработки тензорезисторных силоизмерительных датчиков с высокой степенью интеграции между этапами проектирования и технологической подготовки производства

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

- Анализ современных подходов к разработке тензорезисторных датчиков и методам автоматизации разработки наукоёмкой продукции на основе концепции единого информационного пространства;

- Создание обобщённой математической модели (ОММ) типового тензорези-сторного силоизмерительного датчика;

- Разработка алгоритма выбора рациональных параметров тензорезисторного силоизмерительного датчика на основе концепции единого информационного пространства;

- Разработка и тестирование прикладного программного обеспечения, предназначенного для многокритериального проектирования тензорезисторных силоиз-мерительных датчиков;

- Практическое применение разработанной методики и прикладного программы для создания усовершенствованного датчика для автомобильных весов - типа МБК-20.

Объектом исследования является тензорезисторный силоизмерительный датчик.

Предметом исследования является автоматизация и управление процессами разработки тензорезисторных силоизмерительных датчиков с применением концепций цифрового производства, ЖЦП и ЕИП.

Научная задача заключается в разработки единой методики автоматизации и управления разработкой датчиков тензорезисторных силоизмерительных с высокой интеграцией между различными этапами ЖЦ датчика.

Научная новизна

1) Разработана методика автоматизации процесса проектирования и изготовления тензорезисторных силоизмерительных датчиков на основе концепции единого информационного пространства.

2) Предложены обобщённая математическая модель (ОММ) и алгоритм проектирования типовых тензорезисторных силоизмерительных датчиков.

3) На базе математической модели и алгоритма проектирования создана прикладная авторская программа «АРТСД» (Автоматизация разработки тензоре-зисторных силоизмерительных датчиков), предназначенная для разработки параметрического ряда тензометрических датчиков.

4) Получены новые теоретические и экспериментальные результаты, объясняющие взаимозависимость управляющих параметров проектирования и критериев качества тензометрических датчиков.

Практическая значимость

1) Созданная методика предназначена для разработки новых видов тен-зорезисторных силоизмерительных датчиков и для совершенствования функциональных характеристик существующих тензорезисторных силоизмерительных датчиков.

2) Разработанная прикладная программа внедрена в производство, и использована для разработки и выбора рациональных параметров нового типа датчика МБК-20 для автомобильных весов на предприятии АО «ВИК «ТЕНЗО-М».

3) Изготовленные по найденным рациональным параметрам датчики в опытной партии превосходят по показателям качества современный технический уровень.

Обоснованность и достоверность достигается использованием общепринятых достоверных методов, строгостью математических выкладок, основанных на фундаментальных законах механики. Теоретические результаты подтверждаются численными и натурными экспериментами, а также практическим внедрением разработанной методики.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Методические основы автоматизации процессов разработки тензоре-зисторных силоизмерительных датчиков с применением концепций цифрового производства и единого информационного пространства.

2) Обобщенная математическая модель и алгоритм проектирования типового тензорезисторного силоизмерительного датчика.

3) Прикладная программа «АРТСД» (Автоматизация разработки тензо-резисторных силоизмерительных датчиков).

4) Новые теоретические и экспериментальные результаты, объясняющие взаимозависимость управляющих параметров проектирования и критериев качества тензометрических датчиков.

Личный вклад автора

Автор лично разработал методику автоматизации процесса разработки тен-зорезисторного силоизмерительного датчиков с применением концепций цифрового производства и единого информационного пространства, разработал обобщённую математическую модель типового тензорезисторного датчика. Автор реализовал предложенную методику в прикладной программе «АРТСД» и применил её для разработки и выбора рациональных параметров нового типа датчика МБК-20 для автомобильных весов на предприятии АО «ВИК «ТЕНЗО-М».

Апробация результатов исследования.

Основные положения и выводы диссертации доложены и получили положительную оценку на II Всероссийской научно-технической конференции, посвященная юбилеям основателей кафедры «Прикладная механика» МГТУ им. Н.Э. Баумана профессоров С.Д. Пономарева, В.Л. Бидермана, К.К. Лихарева, Н.Н. Малинина, В.А. Светлицкого» (Москва, 2017), на XXII-XXVI международном симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова (Кременки, 2016-2020); на международном симпозиуме «Joint IMEKO TC1-TC3-TC7-TC17 Symposium» (Санкт-Петербург, 2019); на международном симпозиуме «The International Symposium on Computer Science, Digital Economy and Intelligent Systems» (Москва, 2019); на международной научной конференции «Фундаментальные и прикладные задачи механики (Fundamental and applied problems of mechanics FAPM-2019)» (Москва, 2019); на VI международной научной конференции «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении»; на IV международной конференции «AIMEE2020: The Fourth International Conference of Artificial Intelligence, Med-

ical Engineering, Education» (Москва, 2020); на II международном симпозиуме «CSDEIS2020: The Second International Symposium on Computer Science, Digital Economy and Intelligent Systems».

Практические положения диссертации реализованы на АО «ВИК «Тензо-М», в 2020-2021 году при разработке датчика нового типа для автомобильных платформенных весов МБК-20 (альтернативное название - МБК150-20). Кроме того, предложенная методика внедрена в процесс разработки новых силоизмери-тельных датчиков. Апробация и реализация результатов диссертационной работы подтверждены актом внедрения.

Практические положения диссертации реализованы на АО «ВИК «Тензо-М», в 2020-2021 году при разработке датчика нового типа для автомобильных платформенных весов МБК-20. Кроме того, предложенная методика внедрена в процесс разработки новых силоизмерительных датчиков. Апробация и реализация результатов диссертационной работы подтверждены актом внедрения.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ общим объемом 7,45 печатных листов, из них 7 работ, опубликованных в изданиях SCOPUS, WoS и Springer, четыре работы, опубликованные в рецензируемых изданиях, включенных в ВАК РФ и 9 тезисов конференций.

Структура работы. Диссертация изложена на 181 странице и состоит из введения, пяти глав с выводами по каждой из них, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы из 177 наименований и одного приложения, содержит 15 таблиц и 81 рисунок.

Во введении отражена актуальность диссертационной работы, определены цель и задачи исследования, изложены научная новизна, теоретическая значимость и практическая ценность, приведены основные научные результаты, выносимые на защиту, а также сведения о реализации и публикациях полученных результатов.

В первой главе выполнен анализ предмета и объекта исследования, проанализированы существующие подходы к разработке силоизмерительных датчиков.

Показано, что при разработке датчиков, как правило, используется одно- или многокритериальная параметрическая оптимизации, при помощи которой критерии качества датчика определяются на основе аналитических или численных моделей. При этом, в доступных автору работах не рассматривались критерии качества изделия, связанные с особенностями технологического процесса производства и производственные трудозатраты. Не учитывалось влияние производственных допусков на критерии качества изделия. Также, были проанализированы подходы к управлению ЖЦ наукоемких изделий на основе концепции ЕИП. Показано, что лицо, принимающее решение, (ЛПР) могло бы получить более целостное представление о датчике в процессе его разработки, если в процесс выбора рациональных параметров датчика была включена технологическая и производственная информация. Применение концепции ЕИП к задаче автоматизированного управления ЖЦ датчика позволит устранить вышеизложенные недостатки, что обосновывает актуальность данного исследования.

Во второй главе разработана обобщённая математическая модель (ОММ) тен-зорезисторного силоизмерительного датчика. Данная модель позволяет объединить необходимое количество разнородных критериев качества, принадлежащих различным этапам жизненного цикла. ОММ включает в себя как подмодели, рассчитывающие непосредственно метрологические характеристики силоизмерительного датчика, так и модели для оценки трудоёмкости изготовления датчика, его себестоимости, а также модели для оценки влияния факторов технологического процесса изготовления датчика на колебания его метрологических характеристик. Предложена методика суррогатного моделирования (метамоделирования) для ускорения процесса расчёта критериев качества.

В третьей главе описывается методика выбора рациональных параметров тензорезисторных силоизмерительных датчиков. Методика основана на методе исследования пространства параметров, а также методах многокритериальной оптимизации. Процесс разработки основан на человеко-машинном алгоритме, состоящем из некоторого числа последовательных исследований пространства

управляющих параметров и исследовании полученных неулучшаемых (Парето-оптимальных или компромиссных) вариантов в ЕИП при помощи методов разведочного анализа данных. Критерии качества разрабатываемого датчика рассчитываются при помощи ОММ, реализованной применительно к рассматриваемому датчику.

В четвертой главе описывается реализация разработанной методики в виде программы «АРТСД», предназначенной для выбора рациональных параметров тензорезисторного силоизмерительного датчика при помощи реализованной применительно к рассматриваемому датчику ОММ. Программа «АРТСД» основана на открытых программных компонентах и обладает удобных и интуитивно понятным пользовательским интерфейсом. Также программа «АРТСД» обладает большим набором возможностей для разведочного анализа данных о Парето-оптимальных решений, что позволяет принимать обоснованные решения о стратегии исследования пространства параметров.

В пятой главе разработанная обобщённая математическая модель реализуется применительно к новому типу датчиков для автомобильных весов МБК-20. Реализованная ОММ вместе с программой «АРТСД» используется для выбора рациональных параметров датчика МБК-20 (вид топологии мостовой измерительной схемы, номинальных значения размеров УЭ, а также величины допусков на размеры УЭ). Продемонстрирован итеративный процесс исследования пространства управляющих параметров, где решения о характере последующих исследований принимаются на основе разведочного анализа данных о полученных Паре-то-оптимальных решениях. Согласно полученному набору рациональных вариантов была изготовленная опытная партия датчиков МБК-20, были экспериментально получены их метрологические характеристики. По большинству характеристик датчик МБК-20 превосходит серийно выпускаемый датчик МВ150-20.

В заключении представлены основные результаты и общие выводы по диссертационной работе.

ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕТОДОВ АВТОМАТИЗАЦИИ РАЗРАБОТКИ НАУКОЁМКОЙ ПРОДУКЦИИ, ВКЛЮЧАЯ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЕ

ДАТЧИКИ

1.1 Современные тензорезисторные силоизмерительные датчики

В настоящее время в науке и технике нашли широкое применение различные виды преобразователей механического усилия в электрический сигнал. Данные датчики представляют из себя некоторые упругий элемент (УЭ), который при измерении деформируется. Пропорциональная измеряемой деформации сила преобразуется в электрический сигнал. Существует большое количество подобных преобразователей (пьезоэлектрические датчики [1], оптоволоконные датчики [2], емкостные [3] и вихретоковые [4] датчики). Тем не менее, сейчас наиболее распространены тензорезисторные силоизмерительные датчики. В таких датчиках деформация УЭ измеряется фольговыми тензорезисторами, соединенными в мостовую измерительную схему. Тензорезисторные датчики характеризуются достаточно линейной выходной характеристикой, малой себестоимостью, хорошей чувствительностью и отношением «полезный сигнал/шум» [5].

Тензорезисторные силоизмерительные датчики используются в различных типах промышленных и бытовых весов (платформенные весы, автомобильные и вагонные весы), в специальных силоизмерительных устройствах в стендах для измерения тяги ракетных двигателей и в аэродинамических трубах [6], а также в конвейерных и бункерных весах и дозаторах.

Силоизмерительные датчики могут измерять от одного до шести силовых компонентов (см. Рисунок 1.1) . Как правило, однокомпонентные силоизмерительные датчики используются в весах, а многокомпонентные - в робототехнике [7], установках для автоматизированной сборки самолетов [8] и др.

Мх

Рисунок 1.1. Компоненты силового воздействия, измеряемые многокомпонент-

Конструктивно датчик (см. Рисунок 1.2) силоизмерительный тензорези-сторный представляет собой цельный или сборный упругий элемент (УЭ). На поверхности упругого элемента размещены тензорезисторы. При воздействии силы или момента на упругий элемент в нем возникает деформация, которая передается на тензорезисторы. Тензорезисторы под воздействием деформации изменяют свое электрическое сопротивление.

Рисунок 1.2. Тензорезисторный силоизмерительный датчик

Тензорезисторы соединены в мостовую измерительную схему (МИС) Уит-стона, где изменение сопротивления тензорезисторов в отдельных плечах мостовой измерительной схемы приводит к возникновению на выходной диагонали измерительного моста электрического сопротивления [9]. Пример принципиальной электрической схемы мостовой измерительной схемы тензорезисторного силоиз-мерительного датчика на Рисунке 1.3. Различают четвертьмостовые, полумостовые и полномостовые измерительные схемы.

Существует большое количество типов тензорезисторов. В промышленных силоизмерительных датчиках наиболее часто используются наклеиваемые фольговые тензорезисторы.

ным силоизмерительным датчиком [8]

ЧЭ иА

Рисунок 1.3. Пример [9] мостовой измерительной схемы . Тензорезисторы R1 и Rз увеличивают сопротивление при деформации, тензорезисторы R2 и Яд - уменьшают Фольговые тензорезисторы (см. Рисунок 1.4) состоят из подложки, измерительной решетки из чувствительного материала, а также покрытия, защищающего тензорезистор от механических воздействий [10].

Рисунок 1.4. Фотография наклеенного тензорезистора с припаянными соединительными проводами При изготовлении датчика сначала размечаются места, где должны быть размещены тензорезисторы. После чего тензорезисторы приклеиваются в этих местах при помощи клея горячего или холодного отверждения [10].

По типу выходного сигнала датчики могут быть аналоговыми или цифровыми. Аналоговые датчики выдают непосредственно сигнал мостовой измерительной схемы. Цифровые датчики обладают встроенным усилителем сигнала мо-

стовой измерительной схемы, а также вторичными аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Цифровые датчики выдают сигнал в цифровом виде, а также могут компенсировать часть погрешностей измерения датчика при помощи встроенной тарировочной таблицы.

При выборе одно- или многокомпонентного датчика для измерительной системы учитывают следующие характеристики датчика:

1) Класс точности датчика.

2) Габаритные размеры датчика.

3) Наибольший предел измерения датчика по каждому из измерительных каналов.

4) Перегрузочная способность датчика с сохранением метрологических свойств.

5) Разрушающая нагрузка.

6) Ресурс датчика в циклах.

7) Класс защиты датчика оболочкой. Так как промышленные силоизме-рительные датчики часто работают в суровых условиях, тензорезисторы, сама мостовая измерительная схема и прочие электронные компоненты датчика герметизируются различными способами.

В зависимости от области применения датчика, его класс точности может регулироваться различными стандартами: ГОСТ 8.631-2013 (OIML R 60:2000) [11], ГОСТ 28836-90 [12], ISO 376: 2011 [13].

Все эти стандарты определяют класс точности датчика на основе совокупности свойств его выходной характеристики (зависимость выходного сигнала датчика от приложенной силы). К характеристикам, влияющим на класс точности датчика, относятся:

1) Выходной сигнал мостовой измерительной схемы. Этот параметр определяет отношение полезного сигнала к шуму. Как правило, эту характеристику стремятся максимизировать. Данная характеристика измеряется как отношение выходного сигнала измерительной схемы к напряжению питания мостовой схемы

и имеет размерность [В/В] (мВ/В). ГОСТ 28836-90 [12] определяет эту величину как рабочий коэффициент передачи (РКП). Как правило, РКП датчиков общепромышленного назначения варьируется от 1,0 мВ/В до 2.7 мВ/В. РКП датчиков, работающих в одной группе, например, в составе платформенных весов, должно быть одинаковым в пределах некоторого малого допуска.

2) Нелинейность - отклонение реальной выходной характеристики от прямой линии (см. Рисунок 1.5, а).

3) Гистерезис - несовпадение выходной характеристики при нагружении и разгружении (см. Рисунок 1.5, а).

4) Ползучесть тензодатчика, которая проявляется в плавном изменении РКП в течение некоторого времени при постоянной нагрузке, причем при резком уменьшении нагрузки до нуля выходной сигнал в ноль возвращается не сразу (см. Рисунок 1.5, б).

5) Зависимость НКП (начальный коэффициент передачи - сигнал датчика при отсутствии нагрузки) от температуры.

6) Зависимость РКП от температуры.

7) Влияние паразитных силовых факторов на показания датчика. В идеальных условиях на датчик воздействует только измеряемая величина, которая приложена строго в направлении, в котором ее измеряет датчик. Однако вследствие некорректного приложения нагрузки, деформации силопередающих устройств силоизмерительной системы, а также прочих факторов датчик воспринимает нагрузки сразу по нескольким компонентам, что уменьшает точность его показаний. В случае многокомпонентных силоизмерительных датчиков такой вид погрешности называется взаимовлиянием (cross-talk в англоязычных публикациях) [14].

8) Зависимость начального коэффициента передачи и рабочего коэффициента передачи от атмосферного давления - так называемый барометрический эффект. Барометрический эффект, как правило, больше всего присущ мембранным силоизмерительным датчикам с тонкой мембраной.

Время, мин

а б

Рисунок 1.5. Иллюстрация типов погрешности тензорезисторного датчика: гистерезис и нелинейность (а), ползучесть (б) В настоящее время наблюдается большой интерес к новым силоизмери-тельным однокомпонентным и многокомпонентным датчикам, которые находят свое применение в медицинской технике [15-17], включая медицинскую робототехнику и роботов-хирургов [16,18,19]. Также постепенное внедрение идей концепции «Промышленность 4.0» проявляется во все большем спросе в специальных силоизмерительных технологических датчиках, особенно в области обработки резанием и машиностроении [20-25], включая «умные» инструменты [21,26].

Также в робототехнике идет активное развитие коллаборативной робототехники и специальных методов управления и программирования роботов, для чего активно разрабатываются специальные силоизмерительные датчики [27-31]. Для датчиков такого типа особенно важно минимизировать взаимовлияние измерительных каналов, что делает задачу разработки методов оценки влияния паразитных силовых факторов на точность датчика особенно актуальной, так как такой метод может быть использован для разработки датчиков с минимальным взаимовлиянием.

1.2 Обзор методов разработки силоизмерительных тензорезисторных датчиков

Начало развития класса тензометрических весоизмерительных датчиков приходится на начало 1950-х годов с изобретением фольговых тензорезисторов. Однако, использование тензорезисторов - это лишь один из методов измерения силы, упругие элементы приборов с другими методами измерения деформаций существовали и ранее.

В работе [32] излагается теория и методы расчета различных пружин и мембран, в списке источников учебника приводятся ссылка на работы по расчету упругих элементов, преимущественно пружин, датирующиеся 1930.. .1940 годами. При помощи изложенных методов расчета можно получить математическую модель напряженно-деформированного состояния классических форм упругих элементов (балка, пружина, стержень, мембрана), в том числе в геометрически нелинейной постановке, когда в процессе нагружения изменяется жесткость упругого элемента. Геометрическая нелинейность упругого элемента - один из факторов нелинейности тензометрического весоизмерительного датчика в целом.

В 1964 году выходит труд [33], посвященный расчету именно тензометри-ческих упругих элементов, отдельный раздел которого посвящен расчету геометрической нелинейности упругих элементов.

Таким образом, в 50-60 годах 20 века уже имелись математические модели напряженно-деформированного состояния (НДС) наиболее распространенных типов упругих элементов весоизмерительных датчиков, позволяющие рассчитать выходной сигнал датчика и подобрать размеры УЭ для измерения требуемой нагрузки, что подтверждается патентами на существующие по сей день типы упругих элементов (упругий элемент колонного типа, упругий элемент балочного типа) [34-36]. Вскоре появляются и родственные им УЭ. Например, крестообразный упругий элемент представляет из себя систему из балок, а S-образный упругий элемент - балку с проушинами для приложения растягивающей нагрузки. В патентных формулах видно знание авторами теории упругости и сопротивления

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Гавриленков Сергей Игоревич, 2022 год

- —

1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50

Параметр яИсг

Рисунок 3.10. Диаграммы зависимости критерия качества от параметра управления

Наконец, для сопоставление нескольких Парето-оптимальных решений можно использовать диаграмму типа «параллельные координаты», где по горизонтальной оси откладываются дискретно отметки, соответствующие критериям качества, а по оси У откладывается нормализованное (от 0 до 1) значение соответствующего критерия качества (см. Рисунок 3.11).

Данный график позволяет эффективно сравнить между собой несколько Парето-оптимальных решений.

Рисунок 3.11. График «параллельные координаты» для сопоставления нескольких решений

Также информацию о Парето-оптимальных решениях можно просмотреть в таблице решений (см. Рисунок 3.12), которая может быть сохранена в таблице Microsoft Excel для дальнейшего анализа и обработки, например, для определения показателей качества полученного фронта Парето-оптимальных решений.

:римента решений Г I лрос

Стратегия иссл

Вывести сводку по решению Провести локальное исспедоеани Уточнить значения па КЭ модели

1S.0 25.0 Да

17.0 19.0 Да

1.5 3.5 Да

рические ограничения

х - qhc.r - 42) + sign( qbc_y - qhcj - 4.8) > = О

чальными ограничениями

Провести исследование

Построить график

Закрыть программу

Настройки решений 0 Парето-опткмалькые 0 Допустимые

Графики решений Таблица решений Анализ критериальных ограничений Определение пространства параметров и критериев качества

Сохранить в EXCEL

©

Rohöle wall_th qhcjf qiK_y ï_wall_th TJUlole T_qT_r

t 18.05 17 36 (Г) 6,63 616 10.0078125 11.6015625 9.6796875

2 17.27 1789 8.74 6.21 98671875 9.5859375 11,7990625

3 16-43 В^ш 3.47 7.78 6.62 10-271484375 10.576171875 11 365234375

4 16.59 1781 3,16 8.99 6.72 92841796875 9.5595703125 9.8056640625

5 180 18 53 г,51 7.34 62 9.2373046875 11.1064453125 9.0087890625

6 18.62 17,41 6.41 6.39 90498046875 112939453125 10.6962890625

7 15 36 1844 г® 7.01 6.85 11.2705078125 11.1591796875 10.4912109375

г 17.59 1833 239 7.12 609 9,4072265625 10.3974609375 10.6201171375

9 17.12 189В 2,67 7.54 6.33 9,7353515625 10.8193359375 10.1044921875

Рисунок 3.12. Таблица решений (1), варианты действий с отдельным решением

(2), сохранение информации о решениях в таблице Microsoft Excel

(3)

После анализа информации о Парето-оптимальных решений ЛПР выполнить одно или несколько из следующих действий:

1. Проведение дополнительного эксперимента с изменёнными границами пространства управляющих параметров;

2. Смягчение или ужесточение критериальных ограничений;

3. Проведение локального исследования в окрестности выбранного Па-рето-оптимального решения.

В окрестности выбранного Парето-оптимального решения возможно проведение локального исследования (см. Рисунок 3.13). Для локального исследования возможно выбрать управляющие параметры, которые будут варьироваться, а также степень их изменения относительно их текущего изменения (в процентах от нуля до 100).

Настройте локальное исследование

Запуск

Выберите степень вариации

I

Закрыть

Выберите вариируемые переменные

дЬс_х

фс^

авление критериальными ограничениями (ряжение 13 0 0.0

К_Ио1е

1 18.05 17.36 2.2 6.63

г 17.27 17.89 2.98 8.74

3 16.43 18.85 3.47 7.78

4 16.59 17.81 3.16 8.99

5 18.0 18.53 2.51 7.34

6 18.62 17.41 1.88 6.41

7 15.36 18.44 2.65 7.01

8 17.59 18.33 2.39 7.12

Рисунок 3.13. Задание локального исследования в окрестности выбранного ЛПР решения

Исследования пространства параметров продолжаются пока не будет найдено устраивающее ЛПР решение.

Программа «АРТСД» [162] использовалась автором для разработки ряда тензорезисторных датчиков (Работы [163,164] и [165]).

3.4 Выводы по главе 3

1. Разработана новая методика автоматизации процесса разработки датчиков силоизмерительных тензорезисторных на основе концепций цифрового производства и ЕИП.

2. Разработанная методика основана на применении методов многокритериальной оптимизации и метода исследования пространства параметров.

3. Предложенная методика автоматизации процесса разработки датчиков силоизмерительных тензорезисторных реализована в прикладной программе «АРТСД» на языке Python.

4. Программа обладает дружественным интерфейсом и позволяет ЛПР в интерактивном режиме исследовать пространства управляющих параметров и полученных решений.

5. Разработанная программа основана только на открытых программных компонентах и библиотеках. Единственные компоненты программы, препятствующие ее коммерциализации как программного продукта, это компоненты для создания ГПИ, который может быть переработан под компоненты с пермиссивной лицензией использования. Кроме того, лицензии на компоненты ГПИ не запрещают непосредственное использование программного продукта внутри предприятия, где используется эта программа.

ГЛАВА 4. ТЕСТИРОВАНИЕ ОБОБЩЁННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ

МОДЕЛИ

4.1 Верификация точности расчёта деформаций и нелинейности деформаций при помощи пакета С^е_Аз!ег

В обобщённой математической модели для моделирования напряжённо -деформированного состояния УЭ используется открытый пакет для конечно-элементного анализа Соёе_ЛБ1ег.

Для проверки корректности расчета нелинейности деформации упругого элемента было проведено экспериментальное исследование деформации УЭ серийно выпускаемого датчика М70-30. Фотография УЭ с наклеенными тензорези-сторами приведена на Рисунке 4.1, а.

а б

Рисунок 4.1. наклеенные на мембрану тензорезисторы (а) и внешний вид датчика М70-30 (б)

В шести точках, равномерно распределенных в радиальном направлении, экспериментально определяется относительное изменение сопротивления тензо-резисторов, измеряющих окружную и радиальную деформацию. Относительное изменение сопротивления тензорезистора определяется путем включения проти-

воположно расположенных тензорезисторов в полумостовую схему с двумя тен-зорезисторами, не испытывающими деформацию, которые наклеены на отдельной металлической пластине. Рабочий коэффициент передачи такой полумостовой схемы определяется при помощи прецизионного усилителя ЭМР40.

Было сделано допущение, что функция передачи тензорезисторов одинакова. Так как упругий элемент — это тело вращения, то напряженно-деформированное состояние имеет осевую симметрию. Также тензорезисторы в полумостовой схеме наклеены на одинаковом расстоянии от центра мембраны, следовательно их измеренная деформация будет одинакова. Принципиальная электрическая схема мостовой схемы для тензометрирования показана на Рисунке 4.2, а, а схема размещения подключаемых тензорезисторов для измерения деформации на расстоянии Я от центра мембраны показана на Рисунке 4.2, б.

Я 1

а б

Рисунок 4.2. Экспериментальное определение деформации: (а) - принципиальная электрическая схема, (б) - схема размещения тензорезисторов

ЯI и Яз

Я2 и Я4 представляют из себя тензорезисторы, наклеенные на металлическую пластину. Эти тензорезисторы не измеряют деформацию.

Так как предполагается, что деформация тензорезисторов Ял и Яз одинакова, относительное изменение сопротивления тензорезисторов может быть выведено из формулы выходного сигнала полумостовой измерительной схемы следующим образом:

ДД _ 0,002 • РКП Т~1- 0,001 • РКП

(4.1)

где РКП - рабочий коэффициент передачи полумостовой измерительной схемы, мВ/В;

— - относительное изменение деформации тензорезистора, безразмерная величина.

Деформация тензорезистора может быть определена путем решения логарифмического уравнения при известном значении относительного изменения сопротивления. Измерение РКП полумостовой схемы проводилось при двух значениях возрастающей нагрузки: 15 тс и 30 тс, так как по эмирическому опыту разработки датчиков на АО «ВИК «Тензо-М» максимальное значение нелинейности наблюдается на середине диапазона измерения. Для создания усилия использовалась силозадающая машина ЭСМГ-50 (см. Рисунок 4.3).

Рисунок 4.3. Эталонная силозадающая гидравлическая машина с максимальным усилием 50 тс. Точность воспроизведения нагрузки ±0,02%

Результаты измерения и расчетов для тензорезисторов приведены в Таблице

Таблица 3.

Результаты тензометрирования и расчета деформации упругого элемента датчика

М70-30 (для тензометрирования приведено среднее значение по трем прогруз-кам). Обозначение «Р» и «Т» соответствует позиционированию тензорезистора на измерение радиальной и тангенциальной деформации, соответственно

Обозначение Радиус центра Деформация, мкм/м Нелинейность деформации,

тензорезистора измерительной %

решетки, мм Эксперимент Расчет Эксперимент Расчет

Р1 7,5 1359 1350 -0,12 -0,09

Р2 15,5 1220 1197 -0,10 -0,14

Р3 17,8 1169 1145 -0,07 -0,14

Р4 23,5 925 900 -0,12 -0,19

Р5 25,8 671 662 -0,11 -0,27

Р6 31,5 -470 -507 0,14 0,31

Р7 33,8 -1030 -1007 0,09 0,13

Т1 4,0 1420 1409 -0,08 -0,08

Т2 10,0 1388 1376 -0,08 -0.08

Т3 16,0 1342 1327 -0,06 -0,08

Т4 22,0 1279 1265 -0,05 -0,07

Т5 28,0 1155 1147 -0,01 -0,04

Т6 34,0 872 875 0.06 -0,01

Результаты сравнения в виде графиков для радиальной деформации и нелинейности показаны на Рисунке 4.4, для тангенциальной - на Рисунке 4.5.

Таким образом, используемая математическая модель с отличной точностью рассчитывает деформацию упругого элемента и обладает приемлемой точностью расчета нелинейности деформации.

Несовпадение расчетных и экспериментальных результатов может быть вызвано дрейфом нуля полумостовой схемы при тензометрировании. Также возможно, что различные топологии константановых резисторов обладают различными нелинейными характеристиками.

О 10 20 30 0 10 20 30

Радиус, мм Радиус, мм

Рисунок 4.4. Результаты экспериментального и расчетного определения распределения радиальной деформации вдоль радиуса на измерительной мембране датчика М70-30

0 10 20 30 0 10 20 30

Радиус, мм Радиус, мм

Рисунок 4.5. Результаты экспериментального и расчетного определения распределения тангенциальной деформации вдоль радиуса на измерительной мембране датчика М70-30 В целом, расчет НДС УЭ при помощи метода конечных элементов в системе Соёе_ЛБ1ег позволяет рассчитать нелинейность с абсолютной погрешностью около ±0,05% от номинального значения РКП.

4.2 Тестирование метода определения интервала вариации РКП

Для проверки корректности метода оценки интервала вариации РКП датчика вследствие особенностей технологического процесса монтажа МИС и сопутствующих погрешностей, описанного в разделе , проводится расчет разброса значений РКП серийного датчика МВ150-20. Данный датчик имеет простейшую форму, а колебания размеров датчика достаточно малы благодаря его высокой технологичности. Кроме того, зоне размещения тензорезисторов простейший тип НДС - одноосное напряженное состояние. Следовательно, наибольший вклад в вариацию его РКП вкладывают именно факторы, связанные с МИС - погрешность позиционирования тензорезисторов и разброс коэффициента тензочувстви-тельности тензорезисторов. Схема размещения тензорезисторов на упругом элементе датчика МВ150-20 показана на Рисунке 4.6, а, принципиальная схема показана на Рисунке 4.6, б.

а б

Рисунок 4.6. Схема размещения тензорезисторов на УЭ МВ150-20, а и принципиальная схема МИС (нормирующие резисторы не показаны), б. Напряженно-деформированное состояния УЭ МВ150-20 было определено при помощи метода, описанного в Разделе 2.6, и было промоделирован разброс РКП при действии вертикальной силы Г2 = 20 тс датчика при следующих технологических параметрах:

1. Погрешность линейного расположения тензорезисторов 5лин = ±0,1 мм;

2. Погрешность угловой ориентации главной оси тензорезистора 8угл = ±1°;

3. Изменение коэффициента тензочувствительности 8к = ±0,02.

Влияние боковых сил ¥х и ¥у не рассматривается, так как для серийных датчиков это испытание не проводится.

Также были проанализированы реальные значения РКП датчиков МВ150-20, испытанных в 2019 году. Гистограммы реальных и смоделированных значений РКП приведены на Рисунке 4.7.

датчика,

Рисунок 4.7. реальный и смоделированный разброс РКП датчика МВ150-20 при действии вертикальной силы 20 тс. Для реальных данных значения приведены с учетом понижения РКП от полупроводниковых тен-зорезисторов для нормирования нелинейности и никелевых тензо-резисторов для нормирования температурной погрешности Из графика на Рисунке 4.7. видно, что оба распределения имеют одинаковую форму, схожую с формой нормального распределения. Кроме того, СКО распределений сопоставимо (0,011 мВ/В для реальной выборки и 0.01 для смоделированной выборки). Небольшая разница в СКО может быть вызвана незначитель-

ными колебаниями размеров упругого элемента, а также колебаниями упругих свойств материала.

Также была рассчитана нелинейность датчика МВ150-20 и сопоставлена с нелинейностью нескольких датчиков до нормировки нелинейности, то есть, была получена непосредственно нелинейность от упругого элемента, тензорезисторов, и самой МИС. График расчетной и экспериментально измеренной нелинейности приведен на Рисунке 4.8.

0.14

0.12

с

V

а

ь

о

£

л' 0.10 н и о

X

ш 0.08

с; ш

х 0.06 сг та г х й> Ч Ф

а

^

С 0.02

0.04 -

0.00

Испытания -•- Расчет

✓ ✓ * ж V ч

/у / / ^ \ ч \ ч > ч ч

и / ' / / / ч \ \ \\

// п А \\

0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0

Испытательная нагрузка, тс Рисунок 4.8. Расчетная и экспериментально измеренная нелинейность датчика МВ150-20 до нормировки нелинейности

4.3 Выводы по главе 4

1. Проведено тестирование отдельных частей обобщённой математической модели тензорезисторного силоизмерительного датчика;

2. Точность расчета деформации и нелинейности деформации была проверена путем сопоставления расчетных и экспериментально полученных данных о нелинейности и ее деформации серийно выпускаемого датчика М70-30;

3. Методика оценки колебания характеристик датчика с учетом особенностей технологического процесса монтажа МИС была верифицирована путем сопоставления модельных и реальных данных испытаний датчика МВ150-20.

ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННОЙ МЕТОДИКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НОВОГО ТИПА СТОЛБИКОВОГО СИЛОИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ДАТЧИКА ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ВЕСОВ

В данной главе будет реализована разработанная в Главе 2 ОММ применительно к новому типу датчиков для автомобильных весов МБК-20. ОММ реализована на языке Python и использует системы Code_Aster и Salome-Meca для автоматизации конечно-элементных расчётов для получения выборки для построения суррогатных моделей для расчёта критериев качества датчика.

5.1 Описание конструкции датчика МБК-20

. Разрабатываемый датчик МВ150-20 «без кремния» (МБК-20) предназначен для замены серийно выпускаемого датчика МВ150-20. Основная область применения данного датчика - автомобильные весы. Также данные датчики могут быть использованы как эталонные динамометры (см. Рисунок 4.8).

а б

Рисунок 5.1. Области применения датчиков, аналогичных МБК-20:

в составе автомобильных весов [166] (а) и эталона передачи единицы силы (б) [167] Внешний вид датчиков серии МВ150 показан на Рисунке 5.2.

Рисунок 5.2. датчик МВ150, фотография взята с официального сайта АО «Тен-зо-М» [168]

Датчики данного типа имеют простейший упругий элемент - колонну, которая испытывает одноосное напряженное состояние при работе. Данные датчики просты в изготовлении как на этапе механической обработки, так и на этапе монтажа тензорезисторной схемы, нормирования метрологических характеристик и выходных испытаний. Однако, для данного типа УЭ характерна нелинейность упругого элемента. Как указывается в патенте [37], при сжимающей нагрузке увеличивается площадь поперечного сечения упругого элемента, которая увеличивает жесткость упругого элемента в целом в зависимости от приложенной нагрузки. Вследствие этого, датчики этого типа имеют характерную положительную нелинейность порядка 0,11-0,13% от РКП при номинальной нагрузке при осевой деформации порядка -1800 мкм/м и полномостовой тензорезисторной схеме, где половина тензорезисторов моста воспринимает сжимающую осевую деформацию, а другая половина - растягивающую. Так как датчики для промышленных весов должны иметь нелинейность порядка 0,01...0,02%о от номинального РКП, эта нелинейность корректируется путем встройки полупроводникового тензорезистора или тензорезисторов (см. Рисунок 5.3) в цепь питания тензорезисторного моста, как описано в [37].

-V 1м-

Рисунок 5.3. Принципиальная схема тензорезисторного моста с корректировкой нелинейности. С и С2 - тензорезисторы, работающие на сжатие, Т и Т2 - тензорезисторы, работающие на растяжение; Ял и Я2 -полупроводниковые тензорезисторы, г - нормирующие резисторы для тонкой настройки. Рисунок взят из патента [37].

При таком подходе к нормированию нелинейности РКП датчика уменьшается из-за наличия в цепи питания дополнительных резисторов. Кроме того, полупроводниковые тензорезисторы отличаются меньшей надежностью по сравнению с фольговыми константановыми тензорезисторами. Из-за этого иногда происходят отказы полупроводниковых тензорезисторов еще на этапе монтажа тен-зорезисторной схемы. Также себестоимость датчика увеличивается из-за увеличенной трудоемкости монтажа и себестоимости самих полупроводниковых резисторов.

Таким образом, уменьшение погрешности нелинейности данного датчика до уровня, где не требуется специальных методов компенсации нелинейности, является актуальной задачей. Также актуальной задачей является уменьшение времени механической обработки датчика. Эскиз УЭ показан Рисунке 5.4, а. Так как

датчик данного типа эксплуатируется в автомобильных весах, то ему требуется степень защиты оболочкой 1Р68 (см. Рисунок 5.4, б). Герметизация осуществляется при помощи привариваемого лазерной сваркой кожуха (см. Рисунок 5.4, в).

в

Рисунок 5.4. эскиз предварительного варианта УЭ датчика МБК-20 (а) и схема герметизации упругого элемента (б) при помощи лазерной сварки (в). Изображения датчика МВ150 взяты с сайта АО «ВИК «Тензо-М» [169]

Основная цель - уменьшить собственную нелинейность датчика до уровня 0,01.0,02% (соответствует классу точности С3 по ГОСТ 8.631-2013) и исключить необходимость ее нормирования.

5.2 Выбор варьируемых параметров

Из-за необходимости обеспечить взаимозаменяемость с серийно выпускаемым датчиком МВ150-20, возможно лишь варьирование геометрии центральной части УЭ и топологии МИС. Чертёж датчика с обозначенными варьируемыми размерами приведен на Рисунке 5.5.

A-A É

й«

Рисунок 5.5. Варьируемые геометрические параметры упругого элемента датчика МБК-20

Управляющие параметры представлены в Таблице 3. Диапазоны изменения управляющих параметров выбраны исходя из ограничений на габаритный размер датчика, а также технологических ограничений станков предприятия по возможной точности выполнения размеров.

В рамках данной работы не рассматриваются допуска формы и расположения поверхностей УЭ, хотя это возможно в рамках разработанной ОММ тензоре-зисторного силоизмерительного датчика.

Управляющие параметры датчика МБК-20

Параметр Единица изм. Описание

^стенка _ [15-. -25] мм Толщина мембраны

^ГЛуХ.ОТВ. _ [17-..19] мм Радиус глухих отверстий, формирующих мембрану

^отв.стенка _ [6 -. -10] мм X-координата центров отверстий в мембране

^отв.стенка _ [6 - • • 10] мм Y-координата центров отверстий в мембране

^отв.стенка _ [1,5--4] мм Радиус отверстий в мембране

П = {9, 10.14} Чтенка ' ' Квалитет допуска на размер ^тенка, поле допуска hГ (допуск «в минус»)

Го = {9, 10.14} "глух.отв. ' ' Квалитет допуска на размер Дглух.отв., поле допуска HГ (допуск «в плюс»)

TV = {9, лотв.стенка ' 10.14} Квалитет допуска на размер ^отв.стенка, поле допуска ±/Т/2 (допуск симметричный)

7V = {9, 10.14} 'отв.стенка ' ' Квалитет допуска на размер ^отвхтенка, поле допуска ±/Т/2 (допуск симметричный)

^ = {9, "отв.стенка ' 10.14} Квалитет допуска на размер Дотв.стенка, поле допуска HГ (допуск «в плюс»)

ГОРО = {1, 2, 3} - Тип топологии МИС (см. Рисунок 5.6)

Параметр TOPO соответствует одной из трех топологий, выбранных на основе экспертной оценки по результатам консультации с разработчиками АО «ВИК «Тензо-М» (см. Рисунок 5.6). Топологии 2 и 3 представляют из себя полномостовые схемы, составленные из четырех и восьми одиночных тензорезисторов, соответственно. В Топологии 1 полномостовая схема составляется на основе двух полумостовых розеток.

Топология 1 Топология 2

Сторона 1_ _Сторона 2__Сторона 1 Сторона 2

10 о 10 ю о ю

Рисунок 5.6. Возможные топологии мостовой измерительной схемы датчика МБК-20

В качестве управляющего параметра не рассматривается материал УЭ, так как датчик должен иметь степень защиты оболочкой 1Р68, а для этой цели необходима герметизация привариваемой оболочкой. Среди наиболее часто используемых материалов для датчиков только сталь 09Х16Н4Б нормально подвергается лазерной сварке. Механические свойства стали 09Х16Н4Б приведены в Таблице 4 (закалка до твердости 38.. .42 ИКС).

Таблица 4.

Механические характеристики стали 09Х16Н4Б

Наименование характеристики Величина Единица измерения

Модуль Юнга -200 ГПа

Коэффициент Пуассона -0,3 Безразмерная величина

Предел текучести -1120 МПа

Предел прочности -1350 МПа

Относительное удлинение -14 %

Относительное сужение -66 %

Кроме того, на управляющие параметры накладывается параметрическое ограничение, физический смысл которого состоит в том, что все тензорезисторы МИС должны полностью находится на плоской части мембраны УЭ.

^отв.стенка ^отв.стенка — (5.1)

V - R > 7 Г)

отв.стенка отв.стенка

5.3 Выходные параметры ОММ, реализованной применительно к датчику МБК-20

При выборе рациональных параметров датчика МБК-20 будут использованы следующих выходные параметры математической модели, которые используются в качестве критериев качества. Информация о выходных параметрах приведена в Таблице 5, также указаны значения критериальных ограничений.

Таблица 5.

Выходные параметры ОММ, реализованной применительно к датчику

МБК-20

Критерий качества Описание; критериальное ограничение Метод расчёта

Дркп ^ МЛХ Номинальное РКП датчика при // = 20 тс без учета компенсирующих элементов, мВ/В; Дркп > 2,3 мВ/В Подразделы 2.6, 2.7

аРКП ^ МШ СКО РКП датчика при // = 20 тс, % от соответствующего значения РКПр2, <ркп < 1,0 %

°РКП ^ мш СКО чувствительности к боковым силам, % от соответствующего значения РКПр2, <рКП < 1,0 %

дНЛ ^ М/N Среднее значение нелинейности выходной характеристики при Fz = 10 тс, % от ДРКП^, ДНЛ < 0,01%

аНЛ ^ М/N СКО нелинейности, % от ДРКП^, <НЛ < 0,01% Подразделы 2.6, 2.7

Продолжение Таблицы 5.

Критерий качества Описание; критериальное ограничение Метод расчёта

Тмис ^ MIN Время монтажа мостовой измерительной схемы, н.ч.; Тмис <2 н. ч. Подраздел 2.4

ИТ ^ MAX Технологичность конструкции УЭ, безразмерная величина; ИТ > 40 Подраздел 2.10

кстат ^ МАХ Статический запас прочности, кстат >1,5 Подраздел 2.11

ТУЭ ^ MIN Время изготовления УЭ, н.ч.; Туэ < 3 н. ч. Подраздел 2.2

Cvar ^ MIN Переменная часть себестоимости изготовления датчика, у.е.; Суаг < 4500 Формула (2.3)

В силу требований к взаимозаменяемости РКП датчика МБК-20 после нормирования должен быть не менее 2,0 мВ/В. С учётом используемой технологии нормирования при помощи никелевых терморезисторов в цепи питания датчика его РКП будет меньше РКП чистого моста примерно на 10%, следовательно РКП «чистого моста» датчика должно быть не менее 2,3 мВ/В. При анализе НДС УЭ, результаты которого используются для расчёта критериев качества ДРКП, ^РКП, <гркп, дНЛ, аНЛ, п используется система Salome-Meca для автоматического перестроения геометрии для заданного вектора управляющих параметров и построения конечно-элементной сетки по построенной геометрии. Для конечно-элементных расчётов для всех расчётных случаев используется система Code_Aster. Программы для построения модели и сетки, а также проведения КЭ анализа приведены в Приложении.

5.3.1 Реализация обобщённой математической модели для критерия ^РКп При работе в весах из-за прогиба платформы изменяется вектор действующей нагрузки, и на датчик начинают действовать боковые силы и моменты. Данная проблема присуща не только платформенным весам, но и эталонам статической нагрузки, построенным на основе колонных силоизмерительных датчиков [170]. Так как действие на датчик боковой силы и момента аналогично, то рас-

сматриваться будет только чувствительность к боковой силе. Так как вектор боковой силы может иметь разное соотношение компонент Fx и Fy, будет рассмотрена суммарная чувствительность к этим двух силовым факторам.

п

Fx = Fy = Ft • sin (-)

(5.2)

x ху -«•

где Ft - величина суммарной боковой силы, Н; F - боковая сила в направлении оси X, Н; Fy - боковая сила в направлении оси Y, Н;

Суммарная боковая сила определяется исходя из максимального угла наклона датчика:

Ft = F • sin (а) (5.3)

где F - номинальная нагрузка на датчик, Н;

а - максимальный угол отклонения оси датчика от вертикали, радианы; Конструкторами «Тензо-М» был установлен максимальный угол отклонения датчика от вертикали, равный 5 градусам. Следовательно

'5° • п

/5° • п\

Ft = 196300 Н • sinl——) = 17108 Н

Расчётные схемы для определения НДС УЭ под действием ¥х и ¥у показаны на Рисунке 5.7. Для удобства расчёта боковая сила округляется до 2 тс.

а

б

Рисунок 5.7. Расчётные схемы для анализа напряжённо-деформированное состояния при действии боковых сил ¥х (а) и ¥у (б)

Расчёт производится в линейной постановке. Предварительные расчёты показали (см. Рисунок 5.8 и Рисунок 5.9), что распределение деформации на сторонах мембраны под действием боковых сил либо симметричным, либо антисимметричным. То есть, амплитуда деформаций по модулю одинакова. Следовательно, при идентичных свойствах тензорезисторов, а также их одинаковом расположении на УЭ влияние боковых сил из-за устройства мостовой измерительной схемы будет самокомпенсировано автоматически самой мостовой измерительной схемой.

а

б

в

Рисунок 5.8. Эпюры элементов тензора деформации на противоположных сторонах мембраны при действии силы ¥х: £х (а), £у (б), уху (в) Следовательно, в силу устройства МИС систематическая чувствительность к боковым силам будет равна нулю, но из-за погрешностей расположения тензо-резисторов и вариации свойств тензорезисторов в МИС возникнет чувствительность к боковым силам, которую можно описать случайным распределением с нулевым средним значением и СКО, которое будет зависеть от прочих управляющих параметров. п

а

б

в

Рисунок 5.9. Эпюры элементов тензора деформации на противоположных сторонах мембраны при действии силы ¥у: £х (а), £у (б), уху (в) СКО чувствительности к боковым силам определяется по формуле:

(5.4)

абок _ / 2 + 2

где Ор*п - СКО чувствительности датчика к боковой силе / _ 2000 кгс;

к

аркп - СКО чувствительности датчика к боковой силе _ 2000 кгс;

'РКП Ч-/АЧ-Ч-/ ди! Ш1\и XV \_/ХХ ^Х,^ I у

При расчёте параметров , а"Куп используются суррогатные модели

(Гр*п _ /(X) и <7р^п _ /(X). Построение суррогатных моделей производится по методике, описанной в подразделе 2.7.

Значения величин для обучающей выборки для заданных векторов управляющих параметров рассчитываются по методике, описанной в подразделе 2.8.

к Ку

При моделировании , аруп методом Монте-Карло используются следующие допуска на погрешность расположения тензорезисторов и вариацию коэффициента тензочувствительности, приведённые в Таблице 6.

Допуска на погрешность позиционирования тензорезисторов (см. Рисунок 5.10) и вариацию коэффициента тензочувствительности тензорезисторов

Наименование параметра Значение допуска

±0,1 мм

±0,1 мм

^аЬрКа ±1°

±1% от номинального значения коэффициента тензочувствительности

При расчёте делается допущение, что разметка нанесена точно.

Рисунок 5.10. Погрешности расположения тензорезистора относительно линий разметки, выполненных при помощи лазерного маркировщика

5.3.2 Реализация ОММ для критериев дРКП, о>КП, дНЛ, о"НЛ

Аналогично параметрам о^т, аркп, критерии дРКП, аРКП, дНЛ, аНЛ рассчитываются при помощи метамоделей (согласно методике, описанной в подразделе 2.7), значения обучающей выборки О получены путем моделирования Монте-Карло (методика описана в подразделе 2.8). При расчёте моделируется линейно возрастающая до 20 тс вертикальная нагрузка. Расчёт производится в физически линейной и геометрически нелинейной постановке. Расчётная схема для моделирования напряжённо-деформированного состояния УЭ методом конечных элементов показана на Рисунке 5.12. При расчёте жёсткостью герметизирующей обечайки пренебрегаем.

а

б

Рисунок 5.11. Расчётная схема для моделирования напряжённо -деформированного состояния УЭ в вертикальном направлении Отклик датчика моделируется только в двух точках, так как было экспериментально установлено, что для подавляющего количества датчиков, изготавливаемых на АО «ВИК «Тензо-М», максимальная нелинейность наблюдается в середине диапазона. Данные о напряжённо-деформированном состоянии используются как для расчёта критерия РКП, так и для расчёта критерия нелинейности (см. Подраздел 2.9). Скрипт расчётной программы для расчета НДС для этого расчётного случая в системе Code_Aster приведен в Приложении.

5.3.3 Построение суррогатных моделей для ускорения вычисления

критериев качества

Согласно методике, для каждого из параметров, используемых для расчета критериев качества, необходимо создать отдельную метамодель. Рассматривались следующие архитектуры суррогатных моделей:

1. Полиномиальная модель.

2. Метод опорных векторов.

3. Алгоритм градиентного бустинга (в реализации XGboost).

4. Алгоритм градиентного бустинга (в реализации CatBoost [171]).

Возможные типы метамоделей и значения их гиперпараметров приведены в Таблице 6. Значения всех остальных гиперпараметров заданы по умолчанию. При вычислениях для моделей 1, 2, 5 использовались их реализации в библиотеке машинного обучения scikit-learn [172-174]. Для модели 5 (Гауссовские процессы) использовалась следующая ядерная функция (функция ковариации)

в(х, х') = а1 + а2х ЯВР, (5.5)

где а1, а2 - настраиваемые гиперпараметры;

ЯВР - радиальная базисная функция;

Таблица 6.

Виды используемых метамоделей и возможные значения их гиперпараметров

№ Наименование метамодели Значения гиперпараметров

1 Полиноминальная модель Степень полинома: {2, 3}

2 Метод опорных векторов Функция ядра: RBF (радиальная базисная функция), е = 10-4....10-1, C = 10...500

3 Градиентный бустинг (в реализации библиотеки XGboost) Максимальная глубина дерева (6.8), Скорость обучения ^ (learning rate - 0,02.0,5), Максимальное количество построенных деревьев (n estimators - 100.200)

4 Градиентный бустинг (в реализации библиотеки Cat-Boost) Максимальная глубина дерева (6.8), Скорость обучения (learning rate - 0,01____0,1), Максимальное количество построенных деревьев (n estimators - 100.200)

5 Модель Гауссовских процессов Параметры ядерной функции

Для каждого предсказываемого параметра обучается метамодель трёх видов с настроенными гиперпараметрами. Настройка гиперпараметров производится при помощи алгоритма TPE (Tree-Structured Parzen Optimizator), реализованного в программной библиотеке Optuna [129,134].

В качестве целевой функции при оптимизации гиперпараметров используется индикатор RMSE (среднеквадратическое значение погрешности):

где - истинное значение 1-го элемента тестовой выборки;

Й- рассчитанное метамоделью значение предсказываемого параметра 1-го элемента тестовой выборки;

Погрешности полученных метамоделей показаны на Рисунке 5.12. При выборе рациональной суррогатной модели для каждого параметра использовался индикатор качества САОприв (Формула (2.12)).

(5.6)

Рисунок 5.12. Погрешность САОприв различных метамоделей после оптимизации гиперпараметров

Как видно из Рисунка 5.12, для большинства предсказываемы параметров наибольшую точность продемонстрировали суррогатные модели, основанные на градиентом бустинге. Информация о выбранных моделях, их оптимальных значениях гиперпараметров и погрешности приведена в Таблице 7.

Разработанные суррогатные модели являются частью ОММ датчика, реализованной применительно к датчику МБК-20. Они хранятся в виде двоичных файлов, а при использовании подгружаются в специальный скрипт на языке Python для расчётов критериев качества, который впоследствии используется программой «АРТСД».

Виды используемых метамоделей и возможные значения их гиперпараметров.

Выражение для САО прив дано в Формуле (2.12)

№ Параметр Наилучшая суррогатная модель Погрешность САО прив

1 Рх G х иРКП Catboost, параметры: • Максимальная глубина дерева - 7 • Скорость обучения - 0.06 • максимальное количество деревьев - 178 2,08

2 РУ G РКП Catboost, параметры: • Максимальная глубина дерева - 7 • Скорость обучения - 0.08 • максимальное количество деревьев - 198 1,68

3 МРКП Суррогатная модель на гауссовских процессах 0,7

4 °РКП Catboost, параметры: • Максимальная глубина дерева - 7 • Скорость обучения - 0.08 • максимальное количество деревьев - 183 0,97

5 Мнл Полиномиальная модель 3 степени 0,98

°НЛ Catboost, параметры: • Максимальная глубина дерева - 7 • Скорость обучения - 0.06 • максимальное количество деревьев - 178 0,95

Для коэффициента запаса кстат метамодель была построена на основе полиномиальной модели со степенью 2, погрешность САО привсоставила 1%.

Необходимо отметить, что для большинства параметров средняя погрешность метамодели менее одного процента. Следовательно, при расчёте критериев качества не потребуется уточнение значений, полученных метамоделью.

5.3.4 Реализация ОММ для критерия Туэ

Технологический процесс изготовления упругого элемента МБК-20 является аналогичным техпроцессу изготовления датчика МВ150-20. Этапы технологического процесса перечислены в Таблице 8.

Операции технологического процесса производства УЭ МВ150-20

№ Наименование операции Время выполнения операции, н.ч. Пояснение

005 Заготовительная 0,11 Отрезание заготовки от прутка

010 Токарная с ЧПУ 0,275 -

015 Фрезерная с ЧПУ 0,6 Фрезерование центральной «колонны»

020 Слесарная 0,11 Маркировка номера УЭ

025 Термическая 0,25 Закалка датчика

030 Пескоструйная 0,07 Очистка УЭ после термической обработки, снятие

035 Токарная с ЧПУ 0,2 -

040 Токарная универсальная 0,18 -

045 Шлифовальная 0,5 Шлифование боковых поверхностей для монтажа тензорезисто-ров

050 Моечная 0,08 Очистка УЭ от СОЖ

055 Контрольная 0,1 Контроль размеров и твердости УЭ

Также некоторые из этих этапов проиллюстрированы на Рисунке 5.14. В технологическом процессе изготовления УЭ МБК-20 время операций 005, 020, 025, 040, 050 и 055 остается таким же, как для датчика МВ150-20. Шлифовальная операция 045 заменяется на фрезерную обработку с ЧПУ для чистовой обработки мембран датчика, а также зенкерования отверстий в мембране.

Так в данной типе датчика основные размеры являются зафиксированными из-за конструкторских ограничений для обеспечения взаимозаменяемости, основное тело упругого элемента, получаемое точением, не меняет своих размеров и может быть рассчитано для одного варианта УЭ и встроено в модель как константа.

(ж)

(з)

Рисунок 5.13. Иллюстрация к некоторым этапам техпроцесса производства датчика МВ150-20: (а) - токарная обработка на станке с ЧПУ, (б) -маркировка УЭ, (в) - термическая обработка УЭ, (г) - пескоструйная обработка УЭ, (д) - фрезерная обработка с ЧПУ, (е) - Шлифовка, (ж) - контрольная операция, (з) - мойка УЭ. Фотографии взяты с официального сайта АО «ВИК «Тензо-М» [101] Время токарной обработки было рассчитано путем моделирования обработке в программе SprutCAM на режимах резания, которые используются при аналогичной токарной операции при производстве датчика МВ150-20 с учетом подготовительно-заключительного времени, равного 5 минутам. Всего черновая и чи-

стовая токарная обработка с ЧПУ, а также универсальная токарная обработка занимает 0,89 н.ч.

Время выполнения черновой и чистовой фрезерной операции зависит от объема удаляемого материала, который в основном определяется тремя размерами (см. Рисунок 5.15):

1. Радиус отверстий в мембране;

2. Толщина мембраны;

3. Радиус отверстий, формирующих мембрану УЭ;

Рисунок 5.14. основные варьируемые размеры УЭ, которые влияют на время механической обработки Время черновой и чистовой фрезерной операции также рассчитывается на основе моделирования обработки в ЗргиЮАМ [177]. Снимки экрана проекта обработки УЭ датчика МБК-20 на фрезерном и токарном станках показаны на Рисунке 5.16. Для получения аналитической зависимости времени фрезерных операций от размеров УЭ были рассчитаны несколько комбинаций вышеуказанных параметров, а затем по этим точкам была построена полиномиальная регрессионная модель. Погрешность регрессионной модели по критерию САОприв не превы-

шает 1%. Регрессионная модель на языке Python также подгружается в программу «АРТСД».

где Рисунок 5.15. Генерация УП в системе БргШСАМ: (а) и (б) - черновое точение, (в) - фрезерование лысок, (г) - выборка глухого отверстий, (д) - сверление отверстий в мембране, (е) - чистовая обработка.

При моделировании обработки в БргШСАМ использовалось имеющееся на АО «ВИК «Тензо-М» оборудования и инструмент, а параметры технологических операций были назначены по экспертной оценке технологов и программистов станков с ЧПУ. Так как эта информация содержит материалы, составляющие предмет коммерческой тайны АО «ВИК «Тензо-М», они не приводятся в настоящей работе.

5.3.5 Реализация ОММ применительно к критериям Тмис и Схат При расчёте критерия ТмиС использовались следующие значения технологических параметров (см. Таблицу 9). Для того, чтобы не раскрывать коммерческую тайну АО «ВИК «Тензо-М», приведены значения, аналогичные реальным, но при этом передающие удельный вес той или иной операции монтажа МИС в итоговой трудоёмкости и себестоимости датчика.

Таблица 9.

Стоимостные параметры для датчика МБК-20 - монтаж МИС

Наименование Значение Расшифровка

Ттр 0,03 Время наклейки одного тензорезистора, н.ч.

^зач 1,0 Время зачистки поверхности под наклейки при помощи лазерного маркировщика, мм2/с

^колодка 0,01 Время пайки проводов от выводов тензорезистора к монтажным колодкам, н.ч.

^вывод 0,01 Время пайки проводов от монтажной колодки до выводов МИС, н.ч.

С '-монтаж 1500 Себестоимость нормочаса монтажника МИС, у.е.

Значения стоимостных параметров для расчета переменной части себестоимости датчика Суаг приведены в Таблице 10.

Таблица 10.

Стоимостные параметры для датчика МБК-20 - стоимость компонентов и материалов

Наименование Значение Расшифровка

^МО 1200 Ориентировочная стоимость одного нормочаса механической обработки, у.е.

С ^заг 600 Стоимость одного килограмма материала заготовки, у.е.

СЛЛ11 100 Стоимость тензорезистора ЬЛ11, у.е.

СТЛ21 250 Стоимость тензорезистора ТЛ21, у.е.

5.3.6 Нереализованные математические модели

В данной реализации обобщённой математической модели не рассматриваются такие параметры датчика, как собственная частота, гистерезис и чувствительность к неравномерному нагреву.

Во-первых, датчики в составе автомобильных весов работают преимущественно в квазистатическом режиме. Во-вторых, для датчика столбикового типа сухое трение ограничено зонами контакта «сфера-плоскость». Опыт изготовления датчиков типа МВ150-20 на АО «ВИК «Тензо-М» показывает, что при использовании качественной нержавеющей стали типа 09Х16Н4Б, закалённой до твёрдости 38.42 ИКС, и использовании качественных тензорезисторов фирмы HBM гистерезис не будет превышать ±0,01%. В-третьих, тензорезисторы на датчике МБК-20 располагаются на двух донцах глухих отверстий достаточно близко друг к другу, следовательно, перепад температур между отдельными тензорезисторами будет минимален.

5.4 Выбор рациональных параметров датчика МБК-20

Выбор рациональных параметров датчика производится по методике при помощи разработанной программы «АРТСД».

5.4.1 Предварительное исследование чувствительности

Для понимания взаимосвязи между управляющими параметрами и критериями качества проводится предварительное исследование чувствительности. Исследование включает в себя ряд двухфакторных вычислительных экспериментов. Для тех критериев качества, которые зависят от вида топологии МИС (#РКП, ДРКП, °ркп , ДНЛ, °иЛ), вычислительные эксперименты проводились отдельно для трёх топологий. Для критериев качества, которые определяются только параметрами УЭ (кстат, ТУЭ ), вычислительные эксперименты проводились для первой топологии МИС. Вычислительные эксперименты для критериев качества ИТ и ГМИС не проводились ввиду достаточно простой зависимости от управляющих параметров. Информация о вычислительных экспериментах указана в Таблице 11.

Информация о вычислительных экспериментах

№ Первая переменная Вторая переменная Диапазон изменения первой переменной Диапазон изменения второй переменной

1 ^стенка р ^отв.стенка [15;25] [1:3,5]

2 у л отв.стенка V 1 отв.стенка [6:9] [6:9]

3 р лглух р ^отв.стенка [17:19] [1:3,5]

4 лотв.стенка 1 отв.стенка [9:14] [9:14]

5 Ть '-стенка "глух [9:14] [9:14]

6 Ть '-стенка "отв.стенка [9:14] [9:14]

На Рисунке 5.16 показаны результаты вычислительного эксперимента применительно к коэффициенту запаса статической прочности датчика.

, ^оэфоициент запаса

а

б

в