Створення дослідної партії мініп’єзопрофілометрів для забезпечення масового застосування цього нанотехнологічного приладу в процесі оперативної діагностики якості поверхонь промислових виробів

Создание опытной партии минипьезопрофилометров для обеспечения массового применения этого нанотехнологического прибора в процесс
Ключoві слова
Енергетика та енергоефективність Раціональне природокористування Нові речовини та матеріали Машинобудування Ракетно-космічна техніка П

Опис
Суть розглядуваного проекту ― у вирішенні амбітних і суперечливих задач, а саме:
1) суттєво збільшити (у рази) точність вимірів, але при цьому на порядок зменшити собівартість п’єзопрофілометрів для забезпечення їх масового виробництва і впровадження (таких як, наприклад, у мікрометрів або штангенциркулів) на всіх робочих місцях, де є обробка контрольованих поверхонь;
2) за допомогою принципово нових конструкції мініп’єзопрофілометру і алгоритму обробки сигналів його датчика, крім вищевказаної задачі, вирішити проблеми універсальності вимірювань без додаткових пристроїв, як плоских, циліндричних, випуклих, увігнутих, так криволінійних і кулястих поверхонь до 3…5 мм у діаметрі, в тому числі знизу контрольованої деталі без її повороту, а також безперервності автономного режиму праці більше 8 годин без підзарядки або заміни акумуляторів;
3) на основі унікального вітчизняного мініп’єзопрофілометру типу «Профіль» виготовити дослідну партію із 5 комплектів модернізованих п’єзопрофілометричних комплексів з метою практичного вирішення перших двох задач, підготовки до серійного виробництва цих комплексів і створення універсального нанотехнологічного приладу, який дозволятиме вимірювати не тільки шорсткість, але й відхилення форми чи розташування контрольованих поверхонь ― діапрофілометр та мікротвердість ― твердопрофілометр.
Одним з головних етапів розглядуваного проекту є створення "інтелектуального" профілометричного смарт-п’єзодатчика принципово нової конструкції на кшталт "plug and produce" ("підключи й вимірюй"), яка на відміну від існуючих у світовій практиці дозволяє проводити вимірювання будь-яких криволінійних поверхонь (вздовж траси виміру), підвищити точність і стабільність результатів вимірювань без прецизійного налаштування мехблоку профілометра на контрольованих деталях з різними діаметрами, а також спростити налагодження профілометра після заміни датчика, що не вимагає додаткової тарировки електронного блоку.
Крім того, під словами "smart", а також "plug and produce" мається на увазі створення математичного забезпечення (алгоритмів і комп’ютерних програм) обробки сигналів, що надходять від профілометричного датчика, яке сприятиме розробці та впровадженню у виробництво нових енергоресурсозаощаджуючих комп’ютерних технологій оптимальної обробки контрольованих поверхонь через можливість визначення та завдання виробничих режимів, а також їх послідовності, які залежно від поточного стану технологічного обладнання, налагодження верстатів тощо, забезпечували б вимагаєму технічною документацією (кресленням) якість оброблюємих поверхонь за умови мінімальних припусків заготовок та часу їх обробки.
Підсумовуючи сказане треба відзначити, що в рамках розглядуваного проекту планується по суті реабілітувати можливість широкого використання компактних і недорогих профілометричних п’єзодатчиків в першу чергу за рахунок забезпечення їм технічної переваги набагато більш дорогих магнітоіндукційних датчиків (а саме: можливості "корекції нуля" щодо середньої лінії вимірюваного профілю), завдяки якої останні до цього часу були поза конкуренцією.
Тобто, пропонована нами принципово нова патентоспроможна конструкція п’єзодатчика та сполученого з ним вузла базування мехблоку модернізуємого приладу дозволить п’езопрофілометрам відновити конкуренцію на світовому ринку.

Новизна інновації:
Переваги пропонованої технології досягаються завдяки наступним відмінним технічним характеристикам методів і засобів, які використовуються в наших пристроях.
1. Поєднання профільного щупового п’єзоелектричного методу вимірювань із магнітоіндукційним механічним засобом переміщення щупу, які створюють такі переваги приладам, що пропонуються: а) максимальна мініатюризація та автономізація при найбільш точному забезпеченні принципу подібності параметрів профілю і електричних коливань, б) не потребують електроживлення (батарейок) мотоприводу.
2. П’єзодатчик з опорою, яка гойдається, та приводом годинникового типу для: в) контролю вільно орієнтованих у просторі криволінійних поверхонь, г) максимальної індиферентності до зовнішніх денормалізуючих факторів і зносу, д) зменшення габариту уздовж траси виміру до розміру, що сумірний з довжиною цієї траси.
3. Пристрої для точної настройки на будь-який діаметр з подальшим виміром цих діаметрів і відхилень форми у широкому діапазоні по елементам кола методом гармонійного аналізу Фур’є 12-ти ділянок профілю, що дозволяють е) без додаткових дорогих зовнішніх пристроїв контролювати не тільки плоскі відкриті, але й різні закриті поверхні.
4. Система настройки п’єзодатчика, яка забезпечує можливість: ж) контролю мікротвердості на основі спрощеного методу Олівера-Фарра, з) розширення діапазонів вимірювання контрольованих параметрів при одночасному загальному підвищенні точності і стабільності відповідних вимірювань.
5. Математична обробка сигналу п’єзодатчика за допомогою періодограманалізу із ступінчастою зміною дискретності обчислень, яка обґрунтовується можливістю, зокрема: и) отримання масиву даних, що максимально відповідає реальним ординатам профілю досліджуваної поверхні, к) оперативної зміни числа вимірюваних параметрів.
По сукупності техніко-економічних показників існуючі в світі аналоги поступаються нашим інноваційним приладам за рахунок наступних параметрів.
Технічні параметри
а) не потребують електроживлення (батарейок) мотоприводу, б) мають безперервний автономний режим праці більше 8 годин без підзарядки або заміни акумуляторів електронного блоку, в) містять в собі пристрої для точної настройки на будь-який діаметр з можливістю подальшого виміру цих діаметрів і відхилень форми у широкому діапазоні, г) мають габарит уздовж траси виміру сумірний з довжиною цієї траси, д) максимально індиферентні до зовнішніх денормалізуючих факторів і зносу, е) дозволяють без додаткових дорогих зовнішніх пристроїв контролювати не тільки плоскі відкриті, але й різні закриті поверхні, наприклад, шийки колінвалів, роторів турбомашин, а також внутрішні поверхні труб, циліндрів та інших отворів великого і малого (до 1,5 мм) діаметрів, кільцевих канавок поршнів і т. п., ж) забезпечують можливість контролю довільно орієнтованих у просторі криволінійних поверхонь (уздовж траси вимірювання) з мінімальним радіусом кривизни до 5 мм, у тому числі знизу контрольованої деталі без її повороту, наприклад, лопаток турбін, шариків або бігових канавок підшипників, з) мають можливість оперативної зміни числа контрольованих параметрів,
Економічні параметри
і) вартість майже вдвічі менша середньозваженої ціни базових комплектацій аналогічної продукції закордонних виробників, при цьому рентабельність виготовлення наших приладів може досягати 100%,
к) широке використання наших приладів, що не потребують додаткової комплектації окремими дорогими зовнішніми пристроями (станиною, ноніусними стійками і так далі), дозволить вирішити практично всі перераховані нижче завдання (див. наступний підрозділ – «с»), які мають місце майже на кожному підприємстві , і отримати від цього значний економічний ефект.
c. Що, на Вашу думку, викликає необхідність в цій інновації?
Велика вартість сучасних приладів діагностики якості поверхонь промислових виробів, а саме: профілографів-профілометрів і мікро-нанотвердомірів не дозволяє забезпечити суцільний оперативний контроль згаданих поверхонь на кожному робочому місці, де вони виготовляються (обробляються).
Крім того, для забезпечення контролю багатьох труднодоступних плоских, циліндричних, випуклих, увігнутих, криволінійних і кулястих поверхонь вищезгадані прилади потребують додаткових дорогих пристроїв і датчиків, що робить їх незручними при експлуатації і часто взагалі недоступними для вітчизняних виробництв.
Основною причиною такого стану є, по-перше, відсутність в Україні серійного виробництва недорогих портативних приладів для оперативного здійснення розглядуваної високотехнологічної операції, а, по-друге, малофункціональність і невисока точність вимірювань, яку забезпечують порівняно недорогі п’єзопрофілометри типу «Суртронік-10» (Англія), «TR100» (Китай) або «Профіль-03» (Україна).
Перелічені факти негативно впливають як на продуктивність праці, так і на експлуатаційні показники виготовленої продукції, а тому існує ряд актуальних проблем українських (див. підрозділ «j») і закордонних замовників, які стосуються оперативної діагностики мікро-нано-геометричних та механічних параметрів труднодоступних поверхонь, в т.ч. складноструктурованих, наприклад, з біоматеріалів для підвищення продуктивності, зокрема, медичних імплантатів.
Необхідність вирішення вищевказаних актуальних проблем і стала тією визначальною концепцією, що привела до мети розглянутого проекту (див. підрозділ «а»).
Необхідність у реалізації пропонованої інновації викликана також тим, що її застосування дозволить:
1) провадити оперативну комплексну діагностику шорсткості, мікротвердості та відхилення форми (овальності, огранки, конусності) чи розташування (неперпендикулярністі) закритих і важкодоступних поверхонь великогабаритних деталей, а також інших виробів будь-яких розмірів на місці їх виготовлення, експлуатації або ремонту,
2) раціонально використовувати виробниче обладнання, зекономити метал, збільшити строк служби абразивних та інших різальних інструментів шляхом скорочення часу обробки кожної деталі за рахунок менших припусків заготовок і більш швидкого точного забезпечення заданих кресленням параметрів шорсткості, мікротвердості та відхилення форми чи розташування їх поверхонь,
3) відмовитись від застосування на робочих місцях зразків для візуального порівняння шорсткостей, мікро- та нанотвердомірів, великих мікрометрів і громіздких скоб,
4) отримати в процесі виробництва і наукових досліджень достатній обсяг інформації про якість поверхонь для вироблення обґрунтованих рекомендацій по оптимізації та вибору параметрів, які характеризують цю якість і задовольняють певним, зокрема, технологічним, експлуатаційним, економічним та іншим властивостям,
5) зменшити кількість бракованих деталей,
6) виявити і швидко ліквідувати відхилення у настройці шліфувальних та інших обробних верстатів,
7) збільшити довговічність різноманітних тертєвих сполук в результаті суцільного контролю основних якісних показників робочих поверхонь,
8) спростити сертифікацію продукції, що випускається.
Наприклад, за даними ПАТ «Укртрансгаз» річний економічний ефект в результаті використання наших приладів складатиме 1 млн. гривень. А очікуваний річний економічний ефект від освоєння мініпрофілометрів, наприклад, на Харківському тракторному заводі в американській валюті складає $ 20 тис. і буде отриманий тільки за рахунок відмови від використання спеціальних зразків для візуального порівняння шорсткостей (є відповідне техніко-економічне обґрунтування і розрахунки).
Приладові засоби, що пропонуються мають унікальну комерційну цінність, бо є об’єктом серійної комерційної реалізації численного ряду приладів, які уявляють собою новий перспективний напрямок в технології машино- і приладобудування.
Таким чином, пропонований проект і технологія неминуче призведуть до оперативної та комплексної оцінки шорсткості, мікротвердості і відхилень форми або розташування різних робочих поверхонь промислових виробів на місці їх виготовлення, експлуатації або ремонту за допомогою одного пристрою — діатвердопрофілометра (див. також матрицю конкурентоспроможності на наступній сторінці).

Стадія розробки:
Прототип з успішними лабораторними випробуваннями

Потенційні споживачі, ринки:
Основними потенційними споживачами продукції за даним інноваційним проектом є: НАК «Нафтогаз України», ПАТ «Укртрансгаз», ВАТ «Автрамат», ДП ХМЗ «ФЕД», ДП завод «Електроважмаш», ВАТ «Харківсь-кий підшипниковий завод», ВАТ «Харверст», ІПМаш НАНУ, ВАТ «Турбоатом», Укрзалізниця, ВАТ КрТЗ «Констар», АТ «Укренергоремонт», ВАТ «Мотор Січ», ДП НВКГ «“Зоря” “Машпроект”».
Упроваджені за договорами з вищевказаними та іншими потенційними споживачами наші прилади дозволять вирішити застарілі технологічні проблеми згаданих замовників.