Ультразвуковое устройство контроля соотношения "наполнитель-связующее" системы управления процессом формирования изделий из композиционных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Диденко, Борис Александрович

• Диденко, Борис Александрович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Диденко, Борис Александрович

ВВЕДЕНИЕ

Основные обозначения и сокращения

ГЛАВА 1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ МЕТОДОМ НАМОТКИ КАК ОБЪЕКТА

УПРАВЛЕНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Полимерные композиционные материалы

1.2 Особенности технологического процесса формообразования изделий из композиционных материалов методом намотки

1.3 Требования к устройствам контроля содержания связующего со стороны системы управления

1.4 Методы и устройства контроля соотношения «наполнитель -связующее» в композиционном материале 31 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ КОНТРОЛИРУЕМОГО ОБЪЕКТА С ЦЕЛЬЮ ВЫБОРА ИНФОРМАТИВНОГО ПАРАМЕТРА ДЛЯ РАЗРАБАТЫВАЕМОГО СПОСОБА И УСТРОЙСТВА

2.1 Выбор информативного параметра

2.2 Способ ультразвукового контроля содержания связующего в движущейся ленте из жгутов армирующих волокон

2.3 Методическая погрешность измерения содержания связующего в пропитанной ленте 65 ВЫВОДЫ

ГЛАВА 3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ «ПЬЕЗОИЗЛУ-ЧАТЕЛЬ - КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ - ПЬЕЗОПРИЕМНИК»

3.1 Программное моделирование системы «пьезоизлучатель — композиционный материал — пьезоприемник»

3.2 Дифференциальные уравнения движения армирующих нитей

3.3 Модель волокнистого композиционного материала на основе механического подобия

3.4 Пьезоэлектрические преобразователи

3.5 Адекватность компьютерной модели 104 ВЫВОДЫ

ГЛАВА 4 УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ СООТНОШЕНИЯ

НАПОЛНИТЕЛЬ - СВЯЗУЩЕЕ»

4.1 Функциональная схема и алгоритм функционирования

4.2 Нитетракт устройства

4.3 Погрешности измерения содержания связующего

4.4 Результаты внедрения устройства 130 ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Ультразвуковое устройство контроля соотношения "наполнитель-связующее" системы управления процессом формирования изделий из композиционных материалов»

Актуальность работы. Среди различных синтетических материалов особое место занимают композиционные материалы (КМ), обладающие рядом уникальных свойств. В настоящее время КМ на основе углеродных, органических и стеклянных волокон широко используются в производстве аэрокосмической техники, автомобиле- и судостроении. Для роста производства композитов необходимо развитие комплексной механизации и автоматизации, внедрение новейшего высокопроизводительного оборудования и передовой технологии, а также широкая замена и модернизация устаревшего оборудования. Внедрение этих новых КМ сдерживается также их высокой стоимостью. В связи с этим большое значение приобретает совершенствование систем автоматизации технологических процессов, позволяющее снизить себестоимость продукции и повысить производительность труда [1,2, 77, 78].

Для создания автоматических систем управления технологическими процессами производства изделий из КМ требуются специальные средства контроля и регулирования, поскольку применение в условиях производства серийных технических средств автоматизации затруднено наличием движущихся материалов, многокомпонентных и быстротвердеющих сред. К особенностям производства изделий из КМ также относится частая смена видов продукции и исходных компонентов. Это приводит к необходимости изменения технологических режимов функционирования оборудования. Поэтому необходимо решить ряд дополнительных задач, связанных с поиском новых методов контроля технологических параметров. Применение методов и средств контроля важнейших технологических характеристик материала изделия в процессе его изготовления без взятия проб и остановки процесса производства обеспечивает стабильность значений технологических параметров и способствует существенному сокращению числа дефектов, образующихся в готовом изделии.

Одной из основных проблем при решении задач автоматизации намотки является отсутствие средств непрерывного автоматического контроля отдельных технологических параметров. Прочностные и массовые характеристики изделий из КМ во многом определяются соотношением наполнителя и связующего в материале. Для реализации автоматической системы регулирования содержания связующего в наполнителе необходимы технические средства измерения массовой доли связующего в КМ. Для непрерывного контроля содержания связующего в ленточных материалах на основе стеклянных и органических волокон, используемых при «мокрой» намотке, нашли применение устройства, принцип действия которых основан на зависимости диэлектрический проницаемости материала от содержания в нем связующего (например, анализатор состава АСПЛ-2). Эти устройства применимы только для диэлектрических материалов и включают в себя емкостные первичные преобразователи, устанавливаемые около движущегося ленточного материала и требующие дополнительного места для установки. Последнее затрудняет их применение на станках с коротким нитепроводным трактом. Расширение производства КМ на основе электропроводных углеродных волокон требует создания нового универсального метода измерения содержания связующего в армирующих материалах с различными физическими свойствами. Использование одного и того же оборудования для изготовления изделий на основе углеродных, органических и стеклянных волокон вызвало необходимость разработки органично встраиваемых в нитепроводный тракт намоточного станка универсальных устройств контроля содержания связующего в КМ.

Это обусловливает актуальность проблемы разработки и реализации способов и устройств измерения и контроля соотношения наполнителя и связующего в КМ в процессе намотки изделий.

Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Национальная технологическая база» на 2002 — 2006 гг. по проекту «Разработка программно-технических средств автоматизированного проектирования и управления технологическими процессами формообразования конструкций из полимерных композиционных материалов», межотраслевой программы сотрудничества Министерства образования и Министерства обороны Российской Федерации «Научно-инновационное сотрудничество» (приказ № 562 от 20.02.2001) по проекту 06.01.036 «Разработка унифицированной микропроцессорной системы автоматизации технологического процесса изготовления изделий авиационной и ракетной техники из композиционных материалов» и научного направления Южно-Российского государственного технического университета (НПИ) «Теория и принципы построения информационно-измерительных систем и систем управления» на 2001 - 2005 г.г. (утверждено решением совета университета от 25.04.2001 г.).

Целью работы является повышение качества изделий из КМ, изготавливаемых методом «мокрой» намотки, путем разработки теоретически обосно-. ванных способа и устройства непрерывного контроля процентного содержания связующего в армирующем материале для систем управления технологическими параметрами процесса намотки. Для достижения поставленной цели в рамках диссертационной работы решались следующие основные задачи:

- анализ существующих методов контроля составов КМ и определение класса материалов и технологий, на которые целесообразно распространить настоящее исследование;

- исследование контролируемого объекта и выбор информативного параметра для разрабатываемого способа измерения соотношения армирующего материала и связующего;

- экспериментальное исследование процессов распространения продольных ультразвуковых (УЗ) колебаний в пропитанных связующим веществом нитях из углеродных, органических и стеклянных волокон;

- разработка ультразвукового способа измерения соотношения армирующего материала и связующего в пропитанных армирующих волокнах;

- разработка пьезоизлучателя и пьезоприемника, позволяющих вводить УЗ колебания в движущийся ленточный волокнистый материал и принимать прошедшие через материал колебания;

- разработка и исследование математической модели системы «пьезоизлуча-тель — композиционный материал - пьезоприемник» и использование ее для исследования влияния параметров элементов акустического тракта и физических характеристик компонентов КМ на результат измерения содержания связующего;

- изучение источников погрешностей, возникающих при измерении содержания связующего в полуфабрикате;

- разработка ультразвуковых устройств непрерывного контроля процентного содержания связующего в ленте из волокнистых армирующих нитей.

Для решения поставленных задач использовались методы математического моделирования и натурные эксперименты. Принятые при аналитических исследованиях и моделировании допущения не противоречат физике рассматриваемых явлений и являются общепринятыми при решении аналогичных задач. Достоверность результатов подтверждается хорошей сходимостью данных аналитических и экспериментальных исследований (их расхождение не превышает 2-10 %), и положительными результатами промышленных испытаний созданного устройства контроля содержания связующего.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Аналитически получена и экспериментально подтверждена функция взаимосвязи массовой доли связующего и скорости распространения продольных УЗ колебаний в пропитанном ленточном материале на основе углеродных, органических и стеклянных волокон, учитывающая физико-механические свойства армирующих волокон и неотвержденного эпоксидного связующего, и позволяющая производить косвенное измерение содержания связующего в неот-вержденном КМ.

2. Разработан новый теоретически обоснованный и экспериментально подтвержденный способ непрерывного УЗ контроля содержания связующего в движущейся ленте из жгутов армирующих волокон, который, в отличие от известных, позволяет контролировать содержание связующего не только в диэлектрическом, но и в электропроводном углеродном армирующем материале, и заключающийся в измерении скорости распространения УЗ колебаний в продольном направлении пропитанной ленты и определении содержания связующего в соответствии с полученной функцией взаимосвязи. Предложенный способ позволяет создать новые устройства измерения соотношения «наполнитель - связующее» для систем управления процессом формообразования изделий методом намотки.

3. Построена комплексная математическая модель системы «пьезоизлуча-тель - композиционный материал - пьезоприемник», учитывающая взаимодействие пьезопреобразователей и пропитанного связующим волокнистого материала, которая позволяет исследовать влияние параметров элементов акустического тракта и физических характеристик компонентов КМ на результат измерения содержания связующего и может использоваться для проектирования систем контроля и управления содержанием связующего для намоточных станков с различной конфигурацией нитепроводного тракта.

Практическая ценность. Разработаны принципы построения УЗ устройств контроля процентного содержания связующего вещества в движущемся ленточном материале на основе углеродных, органических и стеклянных волокон, предназначенных для работы в составе системы управления технологическим процессом формообразования изделий из полимерных КМ методом «мокрой» намотки. Предложена новая конструкция пьезоизлучателя и пьезоприем-ника, обеспечивающая их органичное размещение в нитепроводных трактах различных намоточных станков. Устройство контроля содержания связующего в углеродном КМ внедрено в эксплуатацию в ОАО «Центральный НИИ Специального машиностроения» (г. Хотьково, Московской области).

В диссертационной работе защищаются следующие положения:

- ультразвуковой способ измерения соотношения армирующего материала и связующего в ленте из жгутов армирующих волокон;

- компьютерная модель системы «пьезоизлучатель — композиционный материал — пьезоприемник»;

- устройство контроля содержания связующего в ленточном волокнистом армирующем материале при намотке изделий из КМ «мокрым» методом.

Апробация работы. Основные результаты работы и ее отдельные разделы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- II Региональной научно-технической конференции «Управление в технических, социально-экономических и медико-биологических системах», г. Новочеркасск, 2001 г.;

- Международной научно - практической конференции «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике», г. Новочеркасск, 2001 г.;

- Международной научной конференции «Слоистые композиционные материалы -2001», г. Волгоград, 2001 г.;

- Международной научно - практической конференции «Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения», г. Новочеркасск, 2001 г.;

- XV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», г. Тамбов, 2002 г.;

- III Международной научно - практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики», г. Новочеркасск, 2002 г.;

- научном семинаре КТБ «Пьезоприбор» РГУ, г Ростов-на -Дону, 2003 г.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ и патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 173 страницах, содержит 38 рисунков и 9 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Диденко, Борис Александрович

выводы

Ультразвуковое устройство контроля процентного содержания связующего обеспечивает автоматический контроль соотношения наполнителя и связующего в движущемся ленточном КМ на этапе пропитки наполнителя и может применяться при изготовлении изделий из КМ на основе современных углеродных, органических и стеклянных волокон. Нитетракт устройства органично встраивается в нитепроводный тракт намоточного станка, не вызывая дополнительных перегибов ленты. Диапазон измерения процентного содержания связующего в ленте из жгутов углеродных волокон УКН-5000 - от 20 до 60 %. Период измерения составляет 10 мс и отвечает требованиям системы управления технологическими параметрами при максимальной скорости движения ленты в нитепроводном тракте станка 0,4 м/с. Погрешность измерения содержания связующего не превышает 2,5 %. Устройство предназначено как для работы в составе системы управления технологическими параметрами процесса непрерывной автоматической намотки «мокрым» способом, так и для использования в качестве самостоятельного измерительного устройства.

При проектировании устройства контроля содержания связующего произведено исследование влияния на результат измерения неравномерности пропитки отдельных нитей в движущейся через пропиточный узел ленте. Проведение натурных экспериментов для расчета рассматриваемой составляющей погрешности затруднительно, поэтому процесс измерения содержания связующего смоделирован на ЭВМ. Получены зависимости результата измерения содержания связующего в различных армирующих материалах от неравномерности пропитки ленты и сформулированы требования к пропиточному узлу по обеспечению равномерности пропитки ленты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие теоретические и практические результаты:

1. На основании проведенного анализа особенностей технологического процесса изготовления изделий из полимерных КМ методом намотки определены основные требования со стороны системы управления к устройствам контроля содержания связующего. Установлена необходимость разработки способа и создания устройств, позволяющих определять содержание связующего в электропроводном углеродном и диэлектрических органическом и стеклянном волокнистых материалах в процессе изготовления изделий методом намотки.

2. Установлено, что в качестве информативного параметра для измерения содержания связующего в пропитанной ленте целесообразно использовать скорость распространения продольных упругих колебаний в материале. Аналитически получена и экспериментально подтверждена функция взаимосвязи массовой доли связующего со скоростью распространения продольных УЗ колебаний в пропитанном ленточном волокнистом материале. Полученная зависимость позволяет по значениям скоростей распространения УЗ колебаний в непропитанном наполнителе и связующем и измеренной скорости распространения ультразвука в пропитанной ленте определять содержание связующего в диапазоне от 20 до 60 %.

3. Решена задача ввода продольных УЗ колебаний в движущийся ленточный волокнистый материал и приема прошедших через материал колебаний, что позволило определять скорость распространения УЗ волны в пропитанной ленте. Разработаны оригинальные пьезопреобразователи, позволяющие органично размещать их в нитепроводном тракте намоточного станка и не вызывающие дополнительных перегибов и повреждения армирующего материала.

4. Разработан новый теоретически обоснованный и экспериментально подтвержденный способ непрерывного УЗ контроля процентного содержания связующего в движущейся ленте из жгутов армирующих волокон, который, в отличие от известных, позволяет контролировать содержание связующего не только в диэлектрическом, но и в электропроводном углеродном армирующем материале, и заключающийся в измерении скорости распространения УЗ колебаний в продольном направлении пропитанной ленты и определении содержания связующего с учетом физико-механических свойств непропитанной ленты и неотвержденного связующего. Предложенный способ позволяет создать новые универсальные устройства измерения соотношения «наполнитель — связующее» для систем управления процессом формообразования изделий методом намотки.

5. Предложена комплексная математическая модель системы «пьезоизлу-чатель - композиционный материал - пьезоприемник», учитывающая физико-механические свойства армирующих волокон и неотвержденного эпоксидного связующего и взаимодействие пьезопреобразователей и пропитанного волокнистого материала. Математическая модель реализована в виде алгоритма и программы для ЭВМ и может использоваться для проектирования систем контроля и управления содержанием связующего для намоточных станков с различной конфигурацией нитепроводного тракта. Адекватность построенной модели подтверждена экспериментально (расхождение результатов натурных и модельных экспериментов не превышает 5 %).

6. Проведен анализ источников и оценка погрешностей измерения содержания связующего в волокнистом армирующем материале. Экспериментальные исследования и оценка полученных результатов показали, что метрологические характеристики разработанного устройства (основная погрешность 2,5 %, период измерения 10 мс) удовлетворяют требованиям системы управления технологическими параметрами намотки изделий из КМ.

7. Разработано оригинальное устройство измерения процентного содержания связующего в ленте из армирующих нитей, предназначенное для определения количества связующего в выходном материале в процессе «мокрой» намотки изделий из КМ на станках КУ-489 и аналогичных. Внедрение устройства гарантирует получение определенных физико-механических свойств и массы изделий за счет поддержания соотношения «наполнитель — связующее» в заданных пределах и может применяться при изготовлении изделий из КМ на основе углеродных, органических и стеклянных волокон. Устройство контроля процентного содержания связующего внедрено в ОАО «Центральный НИИ Специального машиностроения» (г. Хотьково, Московской области).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Диденко, Борис Александрович, 2003 год

1. АСУ намоточными станками/ В.Е. Шукшунов, В.Г. Жуковский и др. — М.: Машиностроение, 1985.

2. Автоматизация производства изделий из композиционных материалов/ B.C. Балакирев, А.В. Заев и др.; Под. Ред. B.C. Балакирева. М.: Химия, 1990

3. Автоматизация процесса формирования ориентированного стеклопластика. / В.Е. Шукшунов, Е.И. Фандеев и др. Орджоникидзе 1969.

4. Агранат Б.А. Основы физики и техники ультразвука. М.: 1987.

5. Андре Анго. Математика для электро- и радиоинженеров. М.: Наука, 1967.

6. Балаклеев В. Н. Диэлькометрический метод измерения летучих растворителей в пропитанных рулонных материалах // Системы управления: сборник трудов. Новочеркасск: Изд. НПИ, 1975. - С. 67 - 71.

7. Балаклеев В. Н. К вопросу об измерениях количества летучих растворителей в пропитанных стекломатериалах емкостным методом // Системы управления: сб. трудов. Новочеркасск: Изд. НПИ, 1974. - С. 111 — 116.

8. Береховских Л.М. Волны в слоистых средах. М. Наука, 1973.

9. Буланов И.М., Воробей В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов: Учеб. для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998.

10. Блинова Л.П. и др. Акустические измерения. М.: Издательство стандартов, 1971.

11. Бунаков В.А. Оптимальное проектирование сетчатых композитных цилиндрических оболочек./ Механика конструкций из композиционных материалов. М.: Машиностроение 1992. - С. 101-125.

12. Буравлев В.В., Балаклеев В. Н. Методы повышения точности устройств автоматического измерения содержания связующего в стеклопластиках// Системы управления: сборник трудов. Новочеркасск: Изд. НПИ, 1974. -С. 116-120.

13. Буров А.К., Андреевская Г.Д. Высокопрочные стеклопластики СВАМ. М. Изд-во Академии наук СССР, 1961.

14. Вострокнутов Н.И. Цифровые измерительные устройства. Теория погрешностей, испытания, поверка. М.: Энергоатомиздат, 1990г.

15. Гардымов Г.П., Мешков Е.В., Пчелинцев А.В. и др. Композиционные материалы в ракетно-космическом аппаратостроении / Под общ. ред. д-ра техн. наук, проф. Г.П. Гардымова и д-ра техн. наук, проф. Е.В. Мешкова. — СПб.: СпецЛит, 1999.

16. Диденко Б.А. Устройство измерения содержания связующего для системы управления пропиткой углеродных армирующих нитей// Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2001. -№3. - С. 135.

17. Домаркас В.И., Кажис Р.-И.Ю. Контрольно- измерительные пьезоэлектрические преобразователи.-Вильнюс: Минтис, 1974.

18. Домаркас В.И., Пилецкас Э.Л. Ультразвуковая эхоскопия. JL: Машиностроение, 1988.

19. Ермолов И.Н. и др. Методы и средства неразрушающего контроля качества. — М. Машиностроение. 1988.

20. Ермолов И.Н. Методы ультразвуковой дефектоскопии. Курс лекций. Части 1 и 2. М. Машиностроение, 1968.

21. Зубков В.И. Упруговязкое поведение среды дискретных частиц// Изв. Вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. -2001. -№3. Стр. 64-68.

22. Изерман Р. Цифровые системы управления. — М.: Наука, 1984.

23. Исакович М.А. Общая акустика. М. Наука, 1973.

24. Калинчев В. А., Макаров М. С. Намотанные стеклопластики. — М.: Химия, 1986.

25. Карпов Б. Delphi: специальный справочник. СПб.: Питер, 2001.

26. Конкин А.А. Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы — М.: Химия, 1974.

27. Контрольно- измерительные ультразвуковые приборы/ Под. Ред JI. Д. Ро-зенберга. М.: ЦИНТИ ЭП, 1960.

28. Колесников А.Е. Ультразвуковые измерения. М.: Изд-во стандартов, 1970.ческие и электромеханические приборы: Справочник. М.: Радио и связь. 1993 г.

29. Любутин О. С. Автоматизация производства стеклопластиков. М.: Химия, 1969.

30. Маринин В.И., Диденко Б.А. Новые устройства контроля составов композиционных материалов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2003.