Тема: АКУСТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПАЛЛЕТ

Актуальность
В наше время трудно представить предприятие массового производства продукции, которое обходятся без транспортировочной и упаковочной тары. Произведенную продукцию необходимо куда-то складировать, транспортировать непосредственно к потребителю или к месту торговой точки. Чтобы обеспечить сохранность транспортируемого товара от повреждений и потерь, его необходимо правильно уложить, надежно закрепить и аккуратно довезти до места назначения.
Использование унифицированных поддонов для упаковки продукции, обеспечивает сохранность товара, увеличивает удобство погрузочноразгрузочных работ, тем самым позволяет сократить затрачиваемое на это время. Кроме того, компактное размещение продукции уменьшает занимаемую площадь складского помещения. Деревянные поддоны являются многооборотной тарой, т.е. могут использоваться неоднократно для перевозки, как тяжелых малогабаритных грузов, так и крупногабаритных. Во время перемещения груза паллеты могут быть повреждены в той или иной степени, что может привезти к необратимой порче произведенного товара. Нарушение геометрических параметров паллет приводит к отклонению в работе устройства автоматической укладки выпускаемой продукции, при этом для устранения аварийной ситуации необходим некоторый период время, что приводит к увеличению простоев и издержек производства, что влечет за собой рост себестоимости продукции [1].
Выявление дефектов (целостность конструктивных элементов, отсутствие посторонних предметов, трещин, сколов и т.п) с последующей комплексной оценкой качества паллет и оперативное принятие верного решения для их устранения с конвейерной ленты представляют собой сложнейшую задачу для оператора.
Разработка нового оборудования для оперативного определения дефектной транспортировочной тары позволит осуществлять отбор поддонов без каких-либо повреждений и отклонений от нормы, что в свою очередь приведет к снижению себестоимости выпускаемой продукции.
Целью диссертационной работы является разработка программно-аппаратного комплекса для оперативного контроля геометрических параметров и качества поддонов на основе двухчастотного зондирования с фазовой коррекцией.
Для достижения поставленной цели представляется необходимым решение следующих задач:
1. Разработать программную модель распространения сигналов разных частот в акустическом тракте, не имеющем боковых стенок.
2. Определить влияние параметров излучаемых сигналов и акустического тракта (соотношения частот, температуры окружающего воздуха, неравномерность площади отражающей поверхности и др.) на достоверность контроля.
3. Разработать двухчастотный способ зондирования объекта контроля с фазовой коррекцией и алгоритм определения дистанции при использовании двух излучаемых частот.
4. Определить технические и эксплуатационные требования, для разработки макетного образца прибора и провести его испытания.
5. Разработать программную модель трехмерной реконструкции поверхности контролируемого объекта.
Объектом исследования является акустический тракт эхо-импульсного дефектоскопа для оперативного контроля геометрических параметров поддонов.
Предметом исследования является двухчастотный способ зондирования объекта контроля с применением фазовой коррекции.
Научная новизна работы
1. Разработан способ обработки двухчастотного сигнала с фазовой коррекцией для контроля геометрических параметров паллет, основанный на поочередном излучении зондирующего сигнала на двух частотах, определении временной координаты и фазы срабатывания порогового устройства и на основе этих данных вычислении временной координаты начала эхо-сигналов, позволяющий снизить погрешность контроля.
2. Выявлен характер влияния параметров зондирования на погрешность определения временной координаты начала эхо-импульса. Показано, что для фиксированных частот 25 кГц и 40 кГц достигается минимальная погрешность контроля.
3. Выявлен характер влияния параметров усиления принятых сигналов на качество контроля. Показано, что при подборе фиксированного коэффициента усиления для сигнала каждой частоты, достигается наименьшая погрешность.
4. Разработан алгоритм обработки двухчастотных сигналов, позволяющий исключить срабатывание компараторов в разных периодах эхо-сигналов, что позволит сохранить погрешность в диапазоне менее четверти периода большей частоты.
5. Создан программно-аппаратный комплекс, состоящий из блока датчиков, размещающихся над конвейерной лентой, блока управления и программной среды для визуализации результатов контроля, обладающий лучшими характеристиками по сравнению с аналогами.
Практическая значимость работы:
• разработан способ двухчастотного зондирования с фазовой коррекцией, на основе которого можно проектировать ультразвуковые локаторы нового поколения с высокими техническими характеристиками, новизна которого подтверждена двумя патентами на изобретения;
• предложенные схемотехнические решения, защищенные патентами РФ, были использованы при проектировании программно-аппаратного комплекса для контроля геометрических параметров паллет;
• разработанный алгоритм обработки акустических сигналов, для определения временной координаты начала эхо-сигнала, можно использовать в акустических локаторах для уменьшения погрешности контроля дистанции;
• предложена математическая модель для анализа погрешности определения временной координаты начала эхо-импульса для выявления влияния параметров акустического тракта (излучаемые частоты, величина порогового напряжения детектирующего устройства, расстояния до объекта контроля, параметров окружающей среды) на точность контроля.
Предложенный способ определения временного положения начала эхо- импульса позволил в два раза повысить точность ультразвукового локатора.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Способ определения временной координаты эхо-импульса при двухчастотном зондировании объекта контроля с детектированием фазы сигнала, в которой произошло срабатывание компаратора, позволяющий уменьшить погрешность контроля.
2. Программный комплекс, позволяющий моделировать акустический тракт при изменении параметров зондирования, порогового устройства и акустического тракта для определения оптимальных параметров дефектоскопа.
3. Введение в алгоритм обработки эхо-сигналов расширенной итерационной матрицы позволяет получить разрешающую способность 0,5 мм при частотах зондирования 25 и 40 кГц при любом соотношении пороговых напряжениях детектирующего устройства.
Внедрение результатов работы.
Разработанный прибор внедрен в технологический процесс предприятия по производству пива и безалкогольных напитков ОАО «Томское пиво», г. Томск.
Полученные в работе результаты позволили существенно уменьшить простои производства, обусловленные использованием бракованных паллет на линии упаковки.
Результаты диссертационного исследования нашли применение в учебном процессе национального исследовательского Томского политехнического университета Инженерной школы неразрушающего контроля и безопасности в разделе «Акустические методы контроля» учебного курса «Электронные промышленные устройства», а также при подготовке выпускных квалификационных работ студентов.
Достоверность полученных теоретических и экспериментальных исследований, полученных результатов и выводов обеспечивается корректным применением современных численных методов, многочисленными экспериментальными исследованиями, устойчивой воспроизводимостью результатов и сопоставлением результатов, полученных разными методами и другими авторами. Достоверность полученных результатов подтверждается практической разработкой прибора для отбраковки поддонов по высоте, целостности верхней плоскости и обнаружению посторонних предметов на верхней плоскости поддона на линии упаковки готовой продукции.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы представлены на конференциях российского и международного уровня:
• II Международная научная конференция "Иностранный язык в контексте проблем профессиональной коммуникации" для студентов, аспирантов и молодых ученых, г. Томск, 27-29 апреля 2015г.
• Control and Communications (SIBCON) : International Siberian Conference on Russia, Omsk, May 21-23, 2015.
• Неразрушающий контроль: электронное приборостроение, технологии, безопасность: V Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных, Томск, 25-29 мая 2015 г.
• Mechanical Engineering, Automation and Control Systems (MEACS): proceedings of the International Conference, Tomsk, 1-4 December, 2015.
• Control and Communications (SIBCON): Proceedings of the XII International Siberian Conference, Moscow, May 12-14, 2016.
• Инженерия для освоения космоса: IV Всероссийский молодежный форум с международным участием, г. Томск, 12-14 апреля 2016 г.
• VII Научно - практическая конференция «Информационно - измерительная техника и технологии» с международным участием, г. Томск, 25 - 28 мая 2016 г.
• Неразрушающий контроль: VI Всероссийская научно-практическая
конференция "Неразрушающий контроль: электронное приборостроение,
технологии, безопасность", г. Томск, 23-27 мая 2016 г.
• Международном форуме «Россия в XXI веке: глобальные вызовы и перспективы развития». г. Москва, 8-10 декабря 2016г.
• XI Международная научно-практическая конференция «Современные проблемы машиностроения», г. Томск, 4-6 апреля 2017 г
• IV Всероссийского молодежного Форума с международным участием "Инженерия для освоения космоса". Национальный исследовательский Томский политехнический университет. 2016.
• Control and Communications (SIBCON): Proceedings of the International Siberian Conference, Astana; Kazakhstan, July 31, 2017.
• VI Всероссийского молодежного Форума с международным участием "Инженерия для освоения космоса". Национальный исследовательский Томский политехнический университет. 2016.
• 1st Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies, MWENT 2018; National Research University "Higher School of Economics"Moscow; Russian Federation; 14 March 2018 до 16 March 2018.
Личный вклад автора заключается в:
• разработке способа двухчастотного зондирования с фазовой коррекцией и алгоритма обработки принятых сигналов;
• разработке математической модели методом геометрической акустики;
• проведении экспериментальных исследований и интерпретации данных при апробации программно-аппаратного комплекса для детектирования непригодной транспортировочной тары.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 23 печатных работ, в том числе 4 статьи в журналах из перечня ВАК, 14 статей из перечня Scopus и WoS, 4 патента РФ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения. Объем диссертации составляет 142 страниц, 83 рисунков и 8 таблиц. Обзор литературных источников содержит 130 наименований.
Содержание работы
Во введение обосновывается актуальность темы исследования, научная и техническая новизна, кратко излагаются содержание работы и основные защищаемые положения. Также проводится обоснование выбора объекта исследования.
В главе I диссертационной работы дается описание объекта контроля, существующих методов и средств измерений. Особое внимание уделяется методам определения временной координаты начала прихода принятого импульса.
Во второй главе приводиться описание математической модели акустического сигнала, на основе которой проведен анализ погрешностей измерений для различных случаев: разного соотношения частот, изменение порога срабатывания компаратора, зависимость погрешности от расстояния до объекта контроля.
В третьей главе описывается практический опыт, полученный в ходе проведения исследований. На основе полученной математической модели, описанной во второй главе, был разработан прибор, описание которого приводиться в третьей главе.
Купить

В диссертации сформулированы и обоснованы основные принципы реализации двухчастотного способа зондирования с фазовой коррекцией для задач неразрушающего контроля геометрических параметров паллет.
Предложенный способ двухчастотного зондирования с фазовой коррекцией позволяет получить погрешность определения временной координаты эхо- сигнала менее 1%.
Проведенные исследования выявили основной источник высокой погрешности контроля при двухчастотном зондировании, заключающийся в срабатывании порогового устройства в разных периодах эхо-сигналов на двух частотах. В диссертационной работе предложен способ определения номеров периодов срабатывании порогового устройства и последующей корректировки временной координаты срабатывания порогового устройства, который позволил получить погрешность контроля менее 0,5%.
Для анализа возможностей двухчастотного способа зондирования с фазовой коррекцией разработан программный комплекс, позволяющий моделировать акустический тракт при изменении параметров зондирования, акустического тракта и порогового устройства, что позволяет определять оптимальные параметры дефектоскопа.
На основе созданной модели были исследованы метрологические характеристики дефектоскопа в широком диапазоне изменения частот зондирования и их соотношения. Показано, что для получения минимальной погрешности контроля следует выбирать соотношение частот зондирования не более 1,3. Однако при использовании алгоритма определения номеров периодов срабатывании порогового устройства это ограничение становится несущественным.
Важным моментом диссертационной работы является исследование влияния параметров эхо-импульсов на результат контроля. Выявлено, что для получения минимальной погрешности контроля необходимо обеспечить одинаковую амплитуду и форму огибающей переднего фронта эхо-сигналов.
По результатам проведенных исследований был разработан программно - аппаратный комплекс для контроля геометрических параметров паллет. Использование двухчастотного способа зондирования с фазовой коррекцией позволило получить погрешность контроля не более 1 мм. Для обеспечения таких характеристик во всем диапазоне рабочих температур был применен опорный канал для расчета текущей скорости распространения упругой волны после контроля каждой паллеты в момент ее отсутствия на конвейере. Использование антенной решетки в системе контроля позволило применить сканирование только по одной координате и обеспечить тем самым высокую производительность контроля.
Проведенные испытания системы контроля показали ее способность детектировать дефекты различного характера (наличие посторонних предметов, отсутствие досок паллета, сколов и т.д.).
Практическая эксплуатация разработанной системы контроля показала, что разработанная система контроля геометрических параметров паллет имеет достаточно высокую точность, надежность и скорость контроля паллет.

Купить