Создание опытной партии минипьезопрофилометров для обеспечения массового применения этого нанотехнологического прибора в процессе оперативной диагностики качества поверхностей промышленных изделий

Создание опытной партии минипьезопрофилометров для обеспечения массового применения этого нанотехнологического прибора в процесс
Ключевые слова
Энергетика и энергоэффективность Рациональное природопользование Новые вещества и материалы Машиностроение Ракетно-космическая техник

Описание
Суть рассматриваемого проекта ― в решении амбициозных и противоречивых задач, а именно:
1) существенно увеличить (в разы) точность измерений, но при этом на порядок уменьшить себестоимость пьезопрофилометров для обеспечения их массового производства и внедрения (таких как, например, у микрометров или штангенциркулей) на всех рабочих местах, где есть обработка контролируемых поверхностей;
2) с помощью принципиально новых конструкции минипьезопрофилометра и алгоритма обработки сигналов его датчика, кроме вышеуказанной задачи, решить проблемы универсальности измерений без дополнительных устройств, как плоских, цилиндрических, выпуклых, вогнутых, так криволинейных и шарообразных поверхностей до 3 ... 5 мм в диаметре, в том числе снизу контролируемой детали без ее поворота, а также непрерывности автономного режима работы более 8 часов без подзарядки или замены аккумуляторов;
3) на основе уникального отечественного минипьезопрофилометра типа «Профиль» изготовить опытную партию из 5 комплектов модернизиро-ванных профилометрических комплексов с целью практического решения первых двух задач, подготовки к серийному производству этих комплексов и созданию универсального нанотехнологического прибора, который позволит измерять не только шероховатость, но и отклонения формы или расположения контролируемых поверхностей ― диапрофилометр и микротвёрдость ― твердопрофилометр.
Одним из главных этапов рассматриваемого проекта является создание "интеллектуального" профилометрического смарт-пьезодатчика принципи-ально новой конструкции типа "plug and produce" ("подключи и меряй"), которая в отличие от существующих в мировой практике позволяет проводить измерения любых криволинейных поверхностей (вдоль трассы измерения), повысить точность и стабильность результатов измерений без прецизионной настройки мехблока профилометра на контролируемых деталях с разными диаметрами, а также упростить настройку профилометра после замены датчика, не требующей дополнительной тарировки электронного блока.
Кроме того, под словами "smart", а также "plug and produce" подразумевается создание математического обеспечения (алгоритмов и компьютерных программ) обработки сигналов, поступающих от профилометрического пьезодатчика, которое будет способствовать разработке и внедрению в производство новых энергоресурсосберегающих компьютерных технологий оптимальной обработки контролируемых поверхностей через возможность определения и задания производственных режимов, а также их последовательности, которые в зависимости от текущего состояния технологического оборудования, наладки станков и т. д., обеспечивали бы требуемое технической документацией (чертежом) качество обрабатываемых поверхностей при условии минимальных припусков заготовок и времени их обработки.
Подытоживая сказанное надо отметить, что в рамках рассматриваемого проекта планируется, по сути, реабилитировать возможность широкого использования компактных и недорогих профилометрических пьезодатчиков, в первую очередь, за счет обеспечения им технического преимущества гораздо более дорогих магнитоиндукционных датчиков (а именно: возможности "коррекции нуля" относительно средней линии измеряемого профиля), благодаря которому последние до сих пор были вне конкуренции.
То есть, предложенная нами принципиально новая патентоспособная конструкция пьезодатчика и сопрягаемого с ним узла базирования мехблока модернизуемого прибора позволит пьезопрофилометрам возобновить конкуренцию на мировом рынке.

Новизна инновации:

Преимущества предлагаемой технологии достигаются благодаря следующим отличительным техническим характеристикам методов и средств, которые используются в наших устройствах.
1. Сочетание профильного щупового пьезоэлектрического метода измерений с магнитоиндукционным механическим способом перемещения щупа, создающих такие преимущества предлагаемым приборам: а) максимальная миниатюризация и автономность при наиболее точном обеспечении принципа подобия параметров профиля и электрических колебаний, б) не требуют электропитания (батареек) мотопривода.
2. Пьезодатчик с качающейся опорой и приводом часового типа для: в) контроля произвольно ориентированных в пространстве криволинейных поверхностей, г) максимальной индифферентности к внешним денормализующим факторам и износу, д) уменьшения габарита вдоль трассы измерения до размера, соизмеримого с длиной этой трассы.
3. Устройства для точной настройки на любой диаметр с последующим измерением этих диаметров и отклонений формы в широком диапазоне по элементам круга методом гармонического анализа Фурье 12-ти участков профиля, которые позволяют е) без дополнительных дорогих внешних устройств контролировать не только плоские открытые, но и разные закрытые поверхности.
4. Система настройки пьезодатчика, обеспечивающая возможность: ж) контроля микротвёрдости на основе упрощенного метода Оливера-Фарра, з) расширения диапазонов измерения контролируемых параметров при одновременном общем повышении точности и стабильности соответствующих измерений.
5. Математическая обработка сигнала профилометрического пьезодатчика с помощью периодограмманализа со ступенчатым изменением дискретности вычислений, которая обосновывается возможностью, в частности: и) получения массива данных, максимально отвечающего реальным ординатам профиля исследуемой поверхности, к) оперативного изменения числа измеряемых параметров.
По совокупности технико-экономических показателей существующие в мире аналоги уступают нашим инновационным приборам за счет следующих параметров.
Технические параметры
а) не требуют электропитания (батареек) мотопривода, б) имеют непрерыв-ный автономный режим работы больше 8 часов без подзарядки или замены аккумуляторов электронного блока, в) содержат в себе устройства для точной настройки на любой диаметр с последующим измерением этих диаметров и отклонений формы в широком диапазоне, г) имеют габарит вдоль трассы измерения соизмеримый с длиной этой трассы, д) максимально индифферентны к внешним денормализующим факторам и износу, е) позволяют без дополнительных дорогих внешних устройств контролировать не только плоские открытые, но и разные закрытые поверхности, например, шейки коленчатых валов, роторов турбомашин, а также внутренние поверхности труб, цилиндров и других отверстий большого и малого диаметров (до 1,5 мм), кольцевых канавок поршней и т.д., ж) обеспечивают возможность контроля произвольно ориентированных в пространстве криволинейных поверхностей (вдоль трассы измерения) с минимальным радиусом кривизны до 5 мм, в том числе снизу контролируемой детали без ее поворота, например, лопаток турбин, шариков или беговых канавок подшипников, з) имеют возможность оперативного изменения числа контролируемых параметров.
Экономические параметры
и) стоимость почти вдвое меньше средневзвешенной цены базовых комплектаций аналогичной продукции заграничных производителей, при этом рентабельность изготовления наших приборов может достигать 100%,
к) широкое использование наших приборов, не нуждающихся в дополнительной комплектации отдельными дорогими внешними устройствами (станиной, нониусными стойками и так далее), позволит решить практически все перечисленные ниже задачи (см. следующий подраздел - «с»), имеющие место почти на каждом предприятии, и получить от этого значительный экономический эффект.
c. Что, по Вашему мнению, вызывает необходимость в этой инновации?
Большая стоимость современных приборов диагностики качества поверхностей промышленных изделий, а именно: профилографов-профилометров и микро-нанотвёрдомеров не позволяет обеспечить сплошной оперативный контроль упомянутых поверхностей на каждом рабочем месте, где они изготавливаются (обрабатываются).
Кроме того, для обеспечения контроля многих труднодоступных плоских, цилиндрических, выпуклых, вогнутых, криволинейных и шарообразных поверхностей вышеуказанные приборы требуют дополнительных дорогостоящих устройств и датчиков, что делает их неудобными при эксплуатации и часто вообще недоступными для отечественных производств.
Основной причиной такого положения является, во-первых, отсутствие в Украине серийного производства недорогих портативных приборов для опе-ративного осуществления рассматриваемой высокотехнологичной операции, а, во-вторых, малофункциональность и невысокая точность измерений, которую обеспечивают сравнительно недорогие пьезопрофилометры типа «Суртроник-10» (Англия), «TR100» (Китай) или «Профиль-03»(Украина).
Перечисленные факты негативно влияют как на производительность труда, так и на эксплуатационные показатели выпускаемой продукции, а поэтому существует ряд актуальных проблем украинских (см. подраздел «j») и зарубежных заказчиков, касающихся оперативной диагностики микро-нано-геометрических и механических параметров труднодоступных поверхностей, в т.ч. сложноструктурированных, например, из биоматериалов для повышения производительности, в частности, медицинских имплантатов.
Необходимость решения вышеуказанных актуальных проблем и стала той определяющей концепцией, которая привела к вышеуказанной цели рассматриваемого проекта (см. подраздел «а»).
Необходимость в реализации предлагаемой инновации вызвана также тем, что её применение позволит:
1) осуществлять оперативную комплексную диагностику шероховатости, микротвёрдости и отклонения формы (овальности, огранки, конусности) или расположения (неперпендикулярности) закрытых и труднодоступных поверхностей крупногабаритных деталей, а также других изделий любых размеров на месте их изготовления, эксплуатации или ремонта,
2) рационально использовать производственное оборудование, сэкономить металл, увеличить срок службы абразивных и других режущих инструментов путём сокращения времени обработки каждой детали за счет меньших припусков заготовок и более быстрого точного обеспечения заданных чертежом параметров шероховатости, микротвёрдости и отклонения формы или расположения их поверхностей,
3) отказаться от применения на рабочих местах образцов для визуального сравнения шероховатостей, микро-нанотвёрдомеров и больших микрометров или измерительных скоб,
4) получить в процессе производства и научных исследований достаточный объём информации о качестве поверхностей для выработки обоснован-ных рекомендаций по оптимизации и выбору параметров, характеризую-щим это качество и удовлетворяющим определенным, в частности, техно-логическим, эксплуатационным, экономическим и другим свойствам,
5) уменьшить количество бракованных деталей,
6) обнаружить и быстро ликвидировать отклонения в настройке шлифовальных и других обрабатывающих станков,
7) увеличить долговечность разнообразных трущихся соединений в результате сплошного контроля основных качественных показателей рабочих поверхностей,
8) упростить сертификацию выпускаемой продукции.
Например, по данным ПАО «Укртрансгаз» годовой экономический эффект в результате использования наших приборов составит 1 млн. гривен. А ожидаемый годовой экономический эффект от освоения минипро-филометров, например, на Харьковском тракторном заводе в американской валюте составит $ 20 тыс. и будет получен только за счёт отказа от использования специальных образцов для визуального сравнения шерохова¬тостей (есть соответствующее технико-экономическое обоснование и расчеты).
Предлагаемые приборы имеют уникальную коммерческую ценность, потому что являются объектом серийной коммерческой реализации многочисленного ряда приборов, которые представляют собой новое перспективное направление в технологии машино- и приборостроения.

Стадия разработки:
Прототип с успешными лабораторными испытаниями

Потенциальные потребители, рынки:
Основными потенциальными потребителями продукции по данному инновационному проекту являются: НАК «Нефтегаз Украины», ПАО «Укртрансгаз», ОАО «Автрамат», ГП ХМЗ «ФЭД», ГП завод «Электротяж-маш», ОАО «Харьковский подшипниковый завод», ОАО «Харверст», ИПМаш НАНУ, ОАО «Турбоатом», Укрзализниця, ОАО КрТЗ «Констар», АО «Укрэнергоремонт», ОАО «Мотор Сич», ГП НПКГ «Зоря Машпроект».
Внедрённые по договорам с вышеуказанными и другими потенциальными потребителями наши приборы позволят решить старые технологические проблемы упомянутых заказчиков.