Návrh systému pracujúceho v diagnostike procesu výroby
Zabezpečenie rýchleho technického rozvoja je jedna zo základných podmienok rastu celého nášho priemyslu. Dôležitou technologickou zložkou je kontrola nástrojov počas výroby (výrobná kontrola) a počas používania vo výrobnom procese.
Kontrola a snímanie opotrebenia výrobného nástroja má dvojaký význam. Na jednej strane sa kontroluje tvar, rozmery a mikrogeometria funkčných povrchov a na druhej strane sa kontroluje stav povrchovej vrstvy funkčných plôch, či zodpovedajú funkčným požiadavkám. Opotrebenie sa vo všeobecnosti považuje za veľmi negatívny jav. Ide o nežiadúcu zmenu povrchov, alebo rozmerov tuhých telies. Aj napriek využívaniu rôznych druhov materiálov, predovšetkým ocelí, ktorých vlastnosti a kvalita sa stále zdokonaľujú, dochádza k postupnému opotrebeniu a otupeniu výrobného nástroja. Pomocou navrhnutého optického senzora, ktorý sníma opotrebenie rezného nástroja, je možné zvýšiť kvalitu výroby na univerzálnych sústruhoch. Článok sa zameriava na snímače používané pri identifikácií opotrebenia rezných nástrojov a princípom činností optickej jednocestnej závory. Pomocou simulácie v simulačnom programe bola overená funkčnosť optického senzora konštrukčne prispôsobeného požadovanému účelu.
Popois snímacieho systému na monitorovanie procesu
Snímač pozostáva z vysielača infračerveného svetelného lúča a prijímača tvoreného fotocitlivým prvkom. Svetelný lúč je vysielaný smerom k svetelnému prijímaču, pričom v určitom mieste svojej dráhy je z časti tienený obrábanou plochou obrobku. Z toho dôvodu k prijímaču prichádza iba časť svetelného lúča, ktorej veľkosť závisí od veľkosti tieniacej plochy obrobku, čiže od veľkosti priemeru obrobku. Pri postupnom opotrebovaní nástroja sa tento priemer zväčšuje. Princíp zariadenia je založený na postupnom prekrývaní svetelného lúča vysielaného z vysielača do prijímača svetelnej závory. Optický senzor zaznamenáva veľkosť prepusteného svetelného lúča cez snímaný komponent, čiže obrobok pri meraní. Je nastavený tak, aby cez snímaný komponent prechádzala určitá veľkosť svetelného toku [3].
Obr. 1 Prijímacie a vysielacie časti ukážok optických závor
Prijímaciu časť senzora zabezpečuje fotocitlivý prvok prispôsobený pre snímanie v prevádzkových podmienkach. Na obr. 1 je ukážka rôznych modelov svetelných závor. Funkčný princíp jednocestnej svetelnej závory so spojite sa meniacim výstupným signálom prijímacej časti vysvetľuje obr. 2. Svetlo vyžiarené vysielačom sa dostáva k prijímaču. Podmienkou je zaručená vzájomná stabilita prijímača a vysielača.
Obr. 2 Popis princípu činnosti jednocestnej závory v prevádzke
Jednocestná závora je historicky prvý optosenzor. V začiatkoch, keď sa ešte nepoužívalo modulované svetlo prevládali menšie komplikácie s nastavením a prevádzkovou spoľahlivosťou, ktoré bohužiaľ pretrvávajú až do dneška. Avšak dnešná omnoho výkonnejšia a odolnejšia technika modulovaného svetla zaručuje už pomerne ľahké nastavenie a zaisťuje spoľahlivú funkciu v priemyselnom prostredí. Účinným pomocníkom je na prijímači umiestnená optoelektronická konštrukcia obsahujúca svetelnú optiku umožňujúcu pohotové nastavenie senzora tak, aby sa k prijímaču dostal maximálny svetelný výkon vysielača. U jednocestnej závory to znamená, že vysielač i prijímač musí byť namontovaný proti sebe v optickej osi. Spínacia vzdialenosť je pre každý senzor špecifická. Je to maximálna funkčná vzdialenosť medzi vysielačom a prijímačom. Efektívny lúč je pracovná časť lúča. U jednocestnej závory je možné si efektívny lúč obrazne predstaviť ako tyč, ktorá spojuje šošovku vysielača a šošovku prijímača (obr. 3). Táto tyč bude kónická, keď budú mať šošovky rôzne priemery. Efektívny lúč by nemal byť zamieňaný s vyžarovanou charakteristikou vysielača alebo zorným poľom prijímača.
Obr. 3 Popis problematiky efektívneho lúča senzora.
Návrh systému pomocou simulácie
Program TINA ("Toolkit for Interactive Network Analysis") umožňuje svojimi vlastnosťami v simulačnom prostredí a možnosťami ponuky simulačných prvkov realizovať požadovanú analýzu s požadovanými parametrami obvodových prvkov. Program je určený na riešenie elektrických a elektronických lineárnych a nelineárnych obvodov. Schéma elektrického obvodu sa programuje v grafickom režime, program má širokú ponuku obvodárskych prvkov, takže tvorba schémy je nenáročná a rýchla. Umožňuje robiť AC a DC analýzu, Fourierovu analýzu s možnosťou grafického výstupu. V prechodovej analýze obvodu je možnosť výberu tvaru vstupného signálu (impulz, jednotkový skok, obecný lichobežník a harmonický priebeh). Je možné vykonať aj viacnásobnú analýzu pre viacej hodnôt niektorého prvku v schéme. Úlohou simulácie má byť overenie navrhnutého obvodu v reálnom prostredí s reálnymi prvkami, čo umožní rýchlo a efektívne stanoviť parametre súčiastok bez ďalších komplikácií v prípade možného overovania týchto parametrov na reálnom obvode (komplikovaná výmena súčiastok).
Obr. 4 Návrh schémy zapojenia obvodu optického snímača v simulačnom prostredí
Vstupné napätie pílového generátora predstavuje signál na výstupe vhodne upraveného optického prvku, ktorého vstup je postupne zatieňovaný použitou clonkou, ktorej poloha je od základnej polohy odmeriavaná pri jednotlivých meraniach. Na meranie bol použitý optický prvok KP 101, ktorý zabezpečoval funkciu prijímacieho prvku. Vstup optického prvku je tvorený štrbinou s nastaviteľnými rozmermi. Jednotlivé merania boli vykonávané pri rôznej šírke tejto štrbiny obdĺžnikového tvaru. Výstupný signál generátora pílového priebehu vstupuje na bázu tranzistora T3 čím dochádza k postupnému otváraniu tohto tranzistora, čo vyvoláva pokles bázového napätia na tranzistoroch T1 a T2. Pokles bázového napätia na tranzistore T1 nastáva omnoho strmšie ako na tranzistore T2 z dôvodu predradených bázových odporov R1=100 Ω, R2=200 Ω. Pri určitej hodnote výstupného signálu generátora pílového priebehu je tranzistor T1 a tranzistor T3 v takom stave, ktorý zodpovedá maximálnemu otvoreniu tranzistora T2. Pri ďalšom náraste výstupného signálu generátora pílového priebehu sa bude postupne znižovať napätie tranzistora T2, pričom tranzistor T1 už bude úplne zatvorený. Tento pokles bázového napätia T2 sa bude prejavovať postupným nárastom napätia kolektor - emitor tranzistora T2 a tým aj poklesom napätia na voltmetri. Počas merania a simulácie schémy zapojenia obvodu v simulačnom programe (obr. 4) je predmetom pozorovania napätie merané na voltmetri.
Obr. 5 Grafická závislosť výstupného napätia voltmetra na čase
(1) - vstupné napätie generátora pílového priebehu,
(2) - napätie na voltmetri.
Priebeh zobrazený v grafe (obr. 5) vyjadruje závislosť výstupného napätia voltmetra počas trvania výstupného priebehu generátora pílového napätia. Pri hodnote 1,45 V vstupného napätia generátora pílového priebehu bol tranzistor T2 v stave maximálneho otvorenia, počas simulácie čo zodpovedá hodnote 5,1 V meraný voltmetrom. Pri ďalšom náraste vstupného napätia sprevádzaného postupným prekrývaním vstupnej štrbiny optického prvku nastáva pokles napätia na voltmetri.
Praktický význam simulácie zariadenia s optickým prvkom:
Pri simulácii boli použité ideálne súčiastky s nastavenými požadovanými parametrami. Simulácia sa realizovala v ideálnom prostredí bez pôsobenia rušivých vplyvov. Hlavný význam simulácie spočíval v možnosti presného stanovenia hodnôt jednotlivých súčiastok na základe opakovaných spustení simulácie. Niektoré parametre by bolo v praktickom zapojení obtiažne stanoviť z dôvodu vzájomnej previazanosti a závislosti daného parametra súčiastky na parametroch ostatných súčiastok.
Záver
Cieľom generovania grafov bolo zistiť priebeh simulácie (ideálne prostredie použitím ideálnych prvkov) vopred navrhnutej a prispôsobenej schéme, ktorú sme navrhli na základe teoretických poznatkov správania sa obvodových prvkov ponúknutých v komunikačnom okne. Každý prvok predstavuje určitý simulačný proces, ktorý nahrádza správanie sa reálnej súčiastky, alebo skupiny súčiastok pracujúcich v reálnom prostredí. Simuláciou sme principiálne overovali (zmenou hodnôt parametrov na jednotlivých prvkoch) funkčnosť navrhnutého obvodu. Sumárne výsledky adekvátne prispeli k zisteniu správania sa navrhnutého obvodu a na základe nich môžeme vhodne zvoliť hodnoty parametrov súčiastok pracujúcich v reálnom obvode.
Tento článok bol písaný v rámci projektu Vývoj, realizácia a overenie technického systému pre bezkontaktnú optickú identifikáciu a nadväznú korekciu rozmerového opotrebenia výrobného nástroja počas plynulého priebehu výrobných operácií. č. 1/0562/08 | 5 | na FVT.
Text: Radoslav Kreheľ, Jozef Dobránsky
Aktuálne vydanie
Partnerské periodiká
Copyright © 2008 TechPark, o.z. | Všetky práva vyhradené | Realizácia: Webmax