Geum.ru
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям

На правах рукописи

Шахнин Вадим Анатольевич

МЕХАТРОННЫЕ КОМПЛЕКСЫ МАГНИТНОЙ ЛОКАЦИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ С ЭЛЕМЕНТАМИ ИЗ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАГНИТОМЯГКИХ СПЛАВОВ

Специальность 05.02.05 Роботы, мехатроника и робототехнические системы 05.02.11 Методы контроля и диагностика в машиностроении

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Владимир 2009

Работа выполнена во Владимирском государственном университете

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Малафеев Сергей Иванович, Владимирский государственный университет

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Зенкевич Станислав Леонидович, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана доктор технических наук, профессор Халатов Евгений Михайлович, Государственный космический научнопроизводственный центр им. М.В. Хруничева доктор технических наук, профессор Шатерников Виктор Егорович, Московский государственный университет приборостроения и информатики

Ведущая организация: ЗАО Научно-исследовательский институт интроскопии МНПО СПЕКТР

Защита состоится л09 октября 2009 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.025.05 во Владимирском государственном университете по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87. Тел. (4922) 479-928; факс. (4922) 532-575; e-mail: sovet@vpti.vladimir

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан л___ сентября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент Е. А. Новикова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие современной техники опирается на использование новых высокоэффективных материалов, среди которых особое место занимают нанокристаллические магнитомягкие сплавы (НММС) с высоким содержанием кобальта. Особенностью этих материалов является уникальное сочетание механических и магнитных свойств. При большой прочности и пластичности они обладают близкой к нулю магнитострикцией, высокой начальной магнитной проницаемостью и чрезвычайно низкими потерями энергии на перемагничивание. На основе НММС и радиопоглощающей керамики разработано новое поколение крупногабаритных объектов электромагнитного экранирования для аэрокосмической техники. Диссертация посвящена решению проблемы их автоматизированного контроля и диагностики.

Современное малотоннажное производство нанокристаллических сплавов не обеспечивает получения материалов с заданными служебными свойствами, т.к. технологические параметры определяются чисто эмпирически, отсутствуют строгие научные представления о механизмах образования дефектов. Необходим производственный многофункциональный контроль технических объектов с элементами из НММС. Под многофункциональностью в данном случае понимается возможность комплексного контроля дефектов, механических и магнитных свойств. В настоящее время наиболее распространенными методами исследования нанокристаллических сплавов являются методы электронной микроскопии, фотонной корреляционной спектроскопии и рентгеновские дифракционные методы. Для производственного контроля крупногабаритных объектов они непригодны, т.к. являются разрушающими, предназначены для исследований в лабораторных условиях, сложны для автоматизации и не обеспечивают требуемой многофункциональности.

Методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики (НКТД) элементов из нанокристаллических сплавов в настоящее время отсутствуют, т.к. не исследованы причинно - следственные связи контролируемых и измеряемых параметров, не созданы соответствующие математические модели. Большие площади контролируемых поверхностей требуют разработки принципов управления движением датчиков НКТД с возможностью выполнения перемещений по криволинейным траекториям и реализацией сложных законов движения во времени в соответствии с 11. Устройство для определения статических петель гистерезиса. Авт.

текущими результатами контроля. свид. СССР №1255974 / Селезнев Ю.В., Шахнин В.А., Зажирко Н.В., Таким образом, актуальность исследований определяется практической Журов А.В. Опубл. в Б.И. 1986. № 33.

потребностью в высокоточном, многофункциональном автоматизированном 12. Динамометрический датчик. Авт. свид. СССР № 1352262/ Шахнин контроле и диагностике крупногабаритных технических объектов нового В.А., Егоров И.Н., Запускалов В.Г. Опубл. в Б.И. 1986. № 42.

поколения с элементами из нанокристаллических магнитомягких сплавов и 13. Измеритель потерь энергии, обусловленных скачками отсутствием в настоящее время технических средств для их осуществления. намагниченности. Авт. свид. СССР № 783733 / Шахнин В.А., Казаков Исследования, лежащие в основе диссертации, относятся к новому Н.С. Опубл. в Б. И. 1987. № 44.

научному направлению автоматизации НКТД в машиностроении 14. Устройство для измерения параметров скачков Баркгаузена. Авт. свид.

Автоматизация технологических процессов контроля и диагностики на СССР № 834539 / Шахнин В.А., Казаков Н.С. Опубл. в Б. И. 1988. № основе мехатронных систем. Тема диссертации соответствует п. 43 20.

Мехатронные технологии Перечня приоритетных направлений развития 15. Устройство для определения амплитудных распределений скачков науки, технологий и техники Российской Федерации на период до 2010 года Баркгаузена. Авт. свид. СССР № 917146 / Шахнин В.А. и др. Опубл. в (федеральный уровень), утверждённого Правительственной комиссией РФ Б.И. 1989. № 12.

по научно-технической политике 21.07.2004 г. 16. Способ магнитошумовой структуроскопии. Авт. свид. СССР № 9265 Целью исследований является повышение технического уровня, / Селезнёв Ю.В., Казаков Н.С., Шахнин В.А. Опубл. в Б.И. 1989. № 17.

эксплуатационной безопасности и надёжности крупногабаритных 17. Устройство для магнитошумовой структуроскопии. Авт. свид. СССР технических объектов с элементами из нанокристаллических магнитомягких № 970204 / Казаков Н.С. Шахнин В.А., Петяев А.С. Опубл. в Б.И.

сплавов на основе многофункционального автоматизированного контроля и 1989. № 40.

диагностики на всех этапах жизненного цикла. 18. Авт. свид. СССР № 152199 / Селезнёв Ю. В., Казаков Н.С., Катык Объект исследований: мехатронные средства, способные обеспечить В.С., Корнилович П.А., Шахнин В.А.

многофукциональный НКТД технических объектов с элементами из 19. Авт. свид. СССР №167327 / Казаков Н. С., Петяев А.С., Шахнин В.А., нанокристаллических магнитомягких сплавов в условиях Катык В. С., Корнилович П. А.

недетерминированности внешней среды, физических свойств изделий и 20. Устройство для контроля ферромагнитных колец. Авт. свид. СССР № характера выявляемых дефектов. 1553932 / Шахнин В.А. Опубл. в Б.И. 1990. № 12.

Предметом исследований являются теоретические основы построения, а 21. Патент Р.Ф. № 2306536. Датчик для силомоментного очувствления/ также методы синтеза, аппаратной и структурно-алгоритмической В.А. Шахнин - Опубл. в Б. И. 2007. № 26.

реализации средств НКТД на основе мехатронных комплексов магнитной локации (МКМЛ).

Достижение цели исследований предполагает решение следующих задач:

1. Анализ технологического процесса контроля и технической диагностики крупногабаритных изделий как объекта автоматизации средствами мехатроники.

2. Обоснование перспективности автоматизации НКТД на основе мехатронных комплексов магнитной локации с глубокой функционально-конструктивной и аппаратно-программной интеграцией основных компонент.

3 предложена методика оценки помехоустойчивости; в работах [27, 28] 3. Разработка принципов интеграции компонент, осуществляющих исследованы структурные схемы систем контроля; в работе [29] написаны контроль и обеспечивающих движение элементов мехатронных разделы 1.3, 3.1, глава 4 и глава 6; в работе [31] написаны глава 1 и глава 3. комплексов магнитной локации. Обоснование требований к этим компонентам.

4. Разработка методов синтеза математических и компьютерных моделей АВТОРСКИЕ СВИДЕТЕЛЬСТВА И ПАТЕНТЫ ПО ТЕМЕ НКТД, отражающих интеграционную специфику мехатронных ДИССЕРТАЦИИ комплексов, устойчивых к влиянию помех, характерных для магнитной локации.

1. Устройство для регистрации статических петель гистерезиса. Авт. 5. Создание новых типов датчиков магнитной локации и средств свид. СССР № 875320 / Шахнин В.А., Казаков Н.С., Катык В.С. вторичного преобразования, интегрированных с датчиками Опубл. в Б.И. 1981. № 39. силомоментного очувствления, и обладающих свойством 2. Устройство для измерения потерь на перемагничивание. Авт. свид. инвариантности к изменению параметров контактирования с объектом СССР № 920599 / Шахнин В.А., Казаков Н.С., Солонин Е.В., Лебель контроля.

В.В. Опубл. в Б.И. 1982. № 14. 6. Разработка алгоритмов управления движением элементов мехатронных 3. Устройство для регистрации динамических петель гистерезиса. Авт. комплексов магнитной локации на основе интеграции компонент, свид. СССР № 920602 / Шахнин В.А., Казаков Н.С. Опубл. в Б.И. 1982. обеспечивающих движение, с компонентами, осуществляющими № 14. контроль и диагностику.

4. Устройство для регистрации динамических петель гистерезиса. Авт. 7. Экспериментальное подтверждение эффективности предложенных свид. СССР № 924645 / Петяев А.С., Шахнин В.А., Казаков Н.С. принципов интеграции компонент мехатронных комплексов на примере Опубл. в Б.И.1982. № 16. решения типовых задач локационных контроля и диагностики.

5. Устройство для регистрации динамических петель гистерезиса. Авт. 8. Разработка и изготовление опытных образцов МКМЛ, реализующих свид. СССР № 935843 / Петяев А.С., Шахнин В.А., Казаков Н.С. предложенные принципы интеграции основных компонент, их Опубл. в Б.И.1982. № 22. промышленные испытания.

6. Способ неразрушающего контроля изделий из ферромагнитных Решение указанных задач требует применения теоретикоматериалов. Авт. свид. СССР №947738 / Казаков Н. С., Шахнин В. А., экспериментальных методов исследования, важнейшими из которых Петяев А.С. Опубл. в Б.И. 1982. № 28. являются методы современной теории автоматического управления, 7. Устройство для измерения коэрцитивной силы ферромагнитных мехатроники, неразрушающего контроля и технической диагностики, материалов. Авт. свид. СССР № 1004929 / Шахнин В.А., Шахнина математического моделирования, а также методы математической Т.Е., Казаков Н.С., Музыченко Н.Н. Опубл. в Б.И. 1983. № 10. статистики и теории погрешностей, аналитические и численные методы 8. Стробоскопический преобразователь периодических электрических решения прямых и обратных задач математической физики, методы теории сигналов. Авт. свид. СССР № 1019341/ Шахнин В. А., Петяев А.С., регуляризации неустойчивых задач алгебры и математической физики, Казаков Н.С. Опубл. в Б.И. 1983. № 19. методы теории и техники электрофизического эксперимента.

9. Стробоскопический преобразователь периодических сигналов. Авт. Научная новизна заключается в разработке теоретических основ свид. СССР № 1051441/ Селезнёв Ю.В., Шахнин В. А., Петяев А.С., новой концепции мехатронного подхода к решению проблемы Казаков Н.С. Опубл. в Б.И. 1983. № 40. многофункционального контроля и диагностики крупногабаритных 10. Устройство для измерения составляющих потерь на технических объектов с элементами из нанокристаллических магнитомягких перемагничивание. Авт. свид. СССР № 638905 / Шахнин В. А., сплавов. Сущность концепции заключается в использовании управления на Пискунов Д.К., Казаков Н.С. Опубл. в Б. И. 1985. № 47. основе учёта текущих результатов контроля и диагностики как платформы 35 для интеграции интеллектуальных модулей, осуществляющих контроль и Уральская НТК Современные методы неразрушающего контроля:

обеспечивающих движение элементов мехатронных комплексов магнитной тез. докл. / Ижевск. 1984. - С.27-28.

окации. Научную новизну содержат следующие конкретные результаты: 29. Вишняков Р.С., Шахнин В.А. Информационные устройства 1. Предложен и теоретически обоснован способ синтеза устойчивых робототехнических систем. Учебное пособие. Владимир: ВПИ. 1988.

математических моделей магнитной локации, отражающих - 96 с.

интеграционную специфику мехатронных комплексов НКТД; 30. Шахнин В.А. Применение методов многомерного статистического 2. Разработаны принципы конструктивного, информационного и анализа для идентификации марок конструкционных сталей. // 12-я программного объединения датчиков магнитной локации и Всесоюзная конференция Неразрушающие физические методы и силомоментного очувствления в единый интеллектуальный сенсорный средства контроля: сб. докл. / Свердловск. 1990. - С. 96-98.

модуль МКМЛ на основе статистического подхода к обеспечению 31. Методы и устройства для контроля магнитных свойств малых инвариантности к параметрам контактирования с объектом контроля. объёмов ферромагнетиков / Селезнёв Ю.В., Казаков Н.С.. Пискунов 3. Предложен способ интеграции процессов шумоподавления в магнитных Д.К., Шахнин В.А. Омск: Изд-во ОмПИ. 1984. 110 с.

и силомоментных измерительных компонентах МКМЛ, отличающийся 32. Шахнин В.А. Многопараметровый контроль электротехнических единым методологическим подходом на основе применения аппарата сталей на основе метода главных компонент. // 1-я Международная калмановского рекуррентного оценивания. конференция по электромеханике и электротехнологиям: сб. докл. / 4. Предложен способ ускоренного формирования обучающих массивов Суздаль. 1994. - С. 74-77.

данных, отличающийся совместным использованием метода 33. Шахнин В.А. О достоверности неразрушающего контроля статистических испытаний и дифференциального преобразования химического состава сталей. // Автоматизированные мгновенных значений сигналов датчиков магнитной локации и силомоментного информационные системы контроля и управления. Владимир.:

очувствления. Издательство ВГУ. 1996. - С. 50-53.

5. На основе информационной интеграции компонент, обеспечивающих 34. Шахнин В.А. Оценка чувствительности аппаратуры для движение, с компонентами, осуществляющими контроль и диагностику, идентификации марок сталей. // 2-я Международная НКТ разработан способ управления движением элементов МКМЛ, Конверсия, приборостроение, рынок: сб. докл. / Суздаль. 1997. - С.

отличительной особенностью которого является учёт текущих 38-41.

результатов НКТД. 35. Шахнин В.А. Результаты экспериментальных исследований 6. Эффективность мехатронных комплексов магнитной локации с глубокой устойчивых моделей косвенных многопараметровых измерений. // 1интеграцией компонент экспериментально подтверждена на примере я Всероссийская НКТ Информационные технологии в науке и решения локационных задач дефектометрии, контроля механических и производстве: сб. докл./ Н.-Новгород. 2000. - С. 18-21.

магнитных свойств изделий в условиях нестабильности химического 36. Шахнин В.А. Эффективный алгоритм синтеза регрессионных состава и режимов термообработки нанокристаллических сплавов. моделей. // 4-я Международная НТК ФРЭМЭ-2002: сб. докл. / 7. Экспериментально доказана целесообразность применения мехатронных Владимир. 2002. - С. 46-47.

комплексов для контроля и диагностики полуфабрикатов 37. Шахнин В.А. Синтез и результаты экспериментальных исследований нанокристаллических магнитомягких сплавов с целью прогнозирования устойчивых моделей косвенных многопараметровых измерений. // 6свойств готовой продукции. я Международная НТК ФРЭМЭ-2004: сб. докл. / Владимир. 2004. - Практическая значимость работы: С.24-25.

1. Разработано алгоритмическое (программное) обеспечение, позволяющее реализовать предложенный способ синтеза устойчивых математических Вклад соискателя в работы, выполненные в соавторстве: в работе [25] выполнен расчёт магнитного поля преобразователей; в работе [26] 5 17. Шахнин В.А. Адаптивный магнитоконтактный датчик для гибких моделей магнитной локации для управления мехатронными производственных модулей неразрушающего контроля. // Датчики и комплексами.

системы. - 2008. - № 9. - С. 8-11. 2. Разработаны новые датчики магнитной локации и силомоментного 18. Шахнин В. А. Управление движением элементов гибких очувствлении и реализованы принципы их конструктивной, производственных модулей неразрушающего контроля. // Приборы и информационной и программной интеграции в единый системы. Управление, контроль, диагностика. - 2008. - № 11. - С. 49- интеллектуальный сенсорный модуль МКМЛ.

52. 3. Разработаны алгоритмы калмановского рекуррентного оценивания и их 19. Шахнин В.А. Принципы гибкой автоматизации неразрушающего программная реализация, позволяющие повысить точность оценок контроля в машиностроении. // Автоматизация и современные значений магнитных и механических параметров на основе интеграции технологии. - 2008. - №12. - С. 27-30. процессов шумоподавления в магнитоизмерительных и силомоментных 20. Shakhnin V. Flexible manufacturing modules for nondestructive testing // компонентах МКМЛ.

RJ of Nondestructive Testing. - 2008. - Vol. 44. - No 2. - Р. 247-254. 4. Предложена аппаратная и программная реализация способа ускоренного 21. Shakhnin V. The movement adaptive control of sensors for flexible формирования обучающих массивов данных для компонент магнитной manufacturing modules of nondestructive testing // RJ of Nondestructive локации и силомомоментного очувствления.

Testing. - 2008. - Vol. 44. - No 8. - P. 552-555. 5. Разработан адаптивный интерполятор для управлением движением 22. Шахнин В.А. Адаптивный интерполятор для гибких мехатронных датчиков МКМЛ на основе метода оценочной функции с учётом комплексов неразрушающего контроля // Автоматизация и текущих результатов контроля.

современные технологии. - 2009. - № 3. - С. 12-16. 6. Разработан и изготовлен модельный ряд гибких мехатронных 23. Шахнин В.А. Автоматический магнитоизмерительный прибор для комплексов МАГНИТ локационного типа с управлением на основе изучения процессов перемагничивания ферроматериалов // Приборы учёта текущих результатов контроля. Мехатронные комплексы и техника эксперимента. - 1979. - №6. - С. 51-52. предназначены для дефектометрии и контроля механических и 24. Шахнин В.А. Намагничивающее устройство для контроля изделий из магнитных свойств технических объектов с элементами из ферромагнитных материалов // Дефектоскопия. - 1979. - №9. - С. 31- нанокристаллических магнитомягких сплавов (МАГНИТ-Д и 35. МАГНИТ-М), а также для диагностики полуфабрикатов этих сплавов 25. Селезнев Ю.В., Шахнин В.А. Чувствительность первичных с целью прогнозирования свойств готовой продукции (МАГНИТпреобразователей скачков намагниченности // Измерительная КРИСТАЛЛ и МАГНИТ-ЭТС). В конструкции МКМЛ реализовано техника. -1980. - №3. - С. 17-20. 14 технических решений, признанных изобретениями.

26. Казаков Н.С., Шахнин В.А., Петяев А.С. О помехоустойчивости 7. На основе научных исследований, проведённых с помощью МКМЛ контроля ферромагнитных изделий по параметрам шума Баркгаузена МАГНИТ, предложены новые способы НКТД, четыре из которых // Дефектоскопия. - 1982. - №10. - С. 34-38. признаны изобретениями.

27. Селезнев Ю.В., Шахнин В.А., Зажирко Н.В. Использование Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций рекуррентной калмановской процедуры для синтеза систем подтверждается обоснованным выбором методов исследования, адекватных неразрушающего контроля. // 10-я Всесоюзная конференция поставленным задачам; соответствием результатов теоретических Неразрушающие физические методы и средства контроля: сб. исследований результатам математического моделирования, докл. / Львов. 1984. - С.75-79. вычислительного и физического экспериментов; использованием при 28. Шахнин В.А., Зажирко Н.В. Применение рекуррентного экспериментальных исследованиях поверенных средств измерений и Калмановского оценивания в магнитных измерениях. // 5-я апробированных методик; эффективностью мехатронных средств НКТД, разработанных на основе научных положений, выводов и рекомендаций 33 диссертации; практикой производственной эксплуатации мехатронных 5. Шахнин В.А. Проектирование датчиков для гибких модулей комплексов МАГНИТ различных модификаций. неразрушающего контроля средств электронной техники. // Реализация и внедрение результатов работы. Научные результаты, Проектирование и технология электронных средств. - 2005. - №4. - С.

отражённые в диссертации, использовались при проведении исследований и 23-27.

опытно-конструкторских работ, выполняемых в Центре инновационных 6. Шахнин В.А. Расчётная модель датчика для гибких технологий Владимирского государственного университета в рамках производственных модулей неразрушающего контроля // научно-технической программы Научные исследования высшей школы по Мехатроника, автоматизация, управление. - 2006. - №12. - С. 13-17.

приоритетным направлениям науки и техники (подпрограмма 201- 7. Шахнин В.А. Системы управления для гибких модулей Производственные технологии), а также при выполнении хоздоговорных неразрушающего контроля. // III Международная конференция по НИР по заказам Института физики металлов РАН, Ивановского проблемам управления: сб. докладов. / М. 2006. - Т. 2. - С. 73-74.

станкостроительного объединения, Нижегородского завода 8. Шахнин В.А. Адаптивное управление с идентификатором для ЭЛЕКТРОМАШ, Омского завода транспортного машиностроения, мехатронного модуля неразрушающего контроля // Труды ВГУ. - Омского филиала ВНИТИ, АО УРАЛАВТОПРИЦЕП, Балашихинского и Вып. 11. - 2006. - С. 19-24.

Ивановского заводов автокранов, Верх-Исетского металлургического завода 9. Шахнин В.А. Датчики с расширенным динамическим диапазоном (г. Екатеринбург), ЗАО НПО ТЕХКРАНЭНЕРГО (г. Владимир) и др. для силомоментного очувствления роботов. // Мехатроника, организаций. Автоматизация, Управление. - 2007. - №6. - С. 39-44.

Шесть технических решений, признанных изобретениями, внедрены в 10. Шахнин В. А. Метод синтеза пространственной модели для гибких практику производственного неразрушающего контроля. В настоящее время модулей неразрушающего контроля. // 15-я Международная во Всероссийском НИИ синтеза минерального сырья (г. Александров), ОАО конференция по вычислительной механике и современным ОМСКАГРЕГАТ и ФГУП Омское моторостроительное объединение им. прикладным программным системам: сб. докладов. / М. 2007. - С.

Баранова в промышленной эксплуатации находятся восемь единиц гибких 510-511.

мехатронных комплексов МАГНИТ. Планируется ввод в эксплуатацию 11. Шахнин В.А. Гибкие производственные модули неразрушающего комплексов этого типа на других предприятиях и расширение их контроля. // Дефектоскопия. - 2008. - № 2. - С. 76-83.

номенклатуры. 12. Шахнин В.А. Датчик для очувствления гибких производственных Вопросы теоретического характера и технические решения, отражённые в модулей. // Датчики и системы. - 2008. - № 6.- С. 42-44.

диссертации, включены в учебные материалы дисциплин Информационные 13. Шахнин В.А. Адаптивное управление перемещением датчиков устройства и системы в мехатронике и Интеллектуальные мехатронные гибких производственных модулей неразрушающего контроля // системы для студентов специальности 220401 - Мехатроника Дефектоскопия. - 2008. - № 8. - С. 49-53.

Владимирского государственного университета. 14. Шахнин В.А. Принципы гибкой автоматизации неразрушающего Апробация работы. Результаты исследований докладывались и контроля приборных устройств военной техники // Всероссийская обсуждались на симпозиуме IFAC Роботы и гибкие производственные НТК Испытание и эксплуатация приборных устройств военной системы (Москва, Суздаль, 1986); 8-й, 9-й, 10-й, 12-й Всесоюзных техники: сб. докладов./ М. 2008. - С. 190-192.

конференциях УНеразрушающие физические методы и средства контроляФ 15. Шахнин В.А. Адаптивный метод интерполяции траекторных (Кишинёв, 1977; Минск, 1981; Львов, 1983; Свердловск, 1990); 3-й, 4-й, 5-й перемещений // 7-я Международной НТК ФРЭМЭ-2008: сб.

Всесоюзных межвузовских конференциях У Электромагнитные методы докладов./ Суздаль. 2008. - Кн. 1. - С. 306-309.

контроля качества изделий (Куйбышев, 1978; Омск, 1983; Рига, 1988 ); 4-й и 16. Шахнин В.А. Адаптивное управление датчиком для гибких 5-й Всесоюзных конференциях УМетоды теории идентификации в задачах производственных модулей неразрушающего контроля. // Контроль и измерительной техники и метрологииФ ( Новосибирск, 1985; Ленинград, диагностика. - 2008. - № 8. - С. 34-38.

7 программно и аппаратно реализован способ управления перемещением 1990 ); 7-й, 10-й, 12-й Уральских конференциях УСовременные методы локационных датчиков с учётом текущих результатов НКТД. неразрушающего контроля и их метрологическое обеспечениеФ (Ижевск, 1984; Устинов, 1986; Ижевск, 1989; Екатеринбург, 1996); Республиканских 6. Разработан и изготовлен модельный ряд мехатронных комплексов НТК УЭлектромагнитные методы контроляФ (Минск, 1993; Могилёв, 1996);

МАГНИТ для дефектометрии, многофункционального контроля и 1-й Международной конференции по электромеханике и прогнозирования механических и магнитных свойств крупногабаритных электротехнологиям (Суздаль, 1994); 2-й Всероссийской конференции технических объектов с элементами из нанокристаллических УМетоды и средства измерений физических величинФ (Н-Новгород, 1997); 2магнитомягких сплавов. В конструкции мехатронных комплексов й Международной НТК Конверсия, приборостроение, рынок (Суздаль, реализовано 14 технических решений, признанных изобретениями.

1997); 1-й, 2-й, 3-й и 4-й Всероссийских НТК Информационные технологии 7. На основе научных исследований, проведённых с помощью в науке и производстве (Н-Новгород, 2000, 2001, 2002, 2003);

мехатронных комплексов МАГНИТ, предложены новые способы Международной конференции Российские и американские университеты на неразрушающего контроля и технической диагностики, четыре из пороге третьего тысячелетия (Владимир, 2001); 3-й международной которых признаны изобретениями.

конференции по проблемам управления (Москва, 2006); 6-й и 8-й Международных конференциях и выставках Неразрушающий контроль и 8. Промышленная эксплуатация мехатронных комплексов МАГНИТ в техническая диагностика в промышленности (Москва, 2006, 2008); 5-й, 6течение ряда лет на предприятиях аэрокосмической отрасли показала их й, 7-й и 8-й Международных НТК ФРЭМЭ ( Владимир, 2004, 2005, 2006, высокий технический уровень, эксплуатационную надёжность и 2008); 1-й и 2-й Всероссийских НТК Мехатроника, Автоматизация, определила направления дальнейшего совершенствования.

Управление (Владимир, Уфа, 2004, 2005); Международном семинаре В приложении представлены заключения об использовании Робототехника и мехатроника (Москва, 2005); пятнадцатой результатов диссертационной работы и акты внедрения изобретений.

Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (Москва, Алушта, 2007), Международной выставке SENSOR+TEST 2007 (г. Нюрнберг, 2007) ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Всероссийской НТК Испытание и эксплуатация приборных устройств военной техники (Владимир, 2008), а также на научно-технических 1. Шахнин В.А. Гибкие производственные модули неразрушающего семинарах во Владимирском государственном университете, в Институте контроля. Кн. 4. Элементы систем управления ГПМНК. - М.:

физики металлов РАН (г. Екатеринбург), НИИ интроскопии (г. Москва), Спутник. 2007. - 66 с. ISBN 978-5-364-00531-1.

АОЗТ УСТАНДАРТФ (г. Москва), Томском и Омском государственных 2. Шахнин В.А. Гибкий производственный модуль неразрушающего технических университетах.

контроля - составная часть гибких производственных систем. // Публикации и изобретения. По результатам исследований, Мехатроника, автоматизация, управление: 1-я Всероссийская научноотражённых в диссертации, автором опубликовано 63 работы, в том числе техническая конференция: сб. докладов. / М. 2004. - 228 с.

17 статей в журналах из Перечня ВАК, монография и два учебных пособия.

3. Шахнин В.А. Проектирование электронных средств Изобретения, выполненные по тематике диссертации защищены неразрушающего контроля с применением методов оптимальной авторскими свидетельствами и патентами.

фильтрации. // Проектирование и технология электронных средств. - Структура и объём работы. Диссертация, общим объёмом 32004. - №4. - С. 2-7.

страниц, состоит из введения, семи глав, заключения, библиографического 4. Шахнин В.А. Устройства намагничивания для робототехнических списка из 312 наименований и приложения, иллюстрируется 93 рисунками и комплексов неразрушающего контроля // Мехатроника, содержит 26 таблиц.

автоматизация, управление. - 2005. - №6. - С. 29-32.

31 ЗАКЛЮЧЕНИЕ КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Итогом исследований является решение проблемы автоматизации магнитолокационного контроля крупногабаритных технических объектов с Во введении дана общая характеристика работы, обоснована элементами из нанокристаллических магнитомягких сплавов на основе актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследований, новой концепции мехатронного подхода. При реализации концепции определены научная новизна и практическая ценность работы.

получены следующие результаты:

В первой главе на основе анализа технологического процесса НКТД 1. Предложен, теоретически обоснован и программно реализован способ крупногабаритных технических объектов с элементами из синтеза устойчивых математических моделей магнитной локации, нанокристаллических магнитомягких сплавов, определены принципы его учитывающий интеграционную специфику мехатронных комплексов.

автоматизации:

Способ базируется на совместном использовании модифицированного - в качестве физической основы автоматизации целесообразно алгоритма, реализующего метод главных компонент, и выбрать многофункциональные методы магнитной локации;

модифицированного шагового алгоритма. Способ позволяет получать на - в теоретическом аспекте автоматизация НКТД должна исследуемом множестве сигналов адекватные модели магнитной базироваться на решении обратных измерительных задач;

окации, устойчивые к влиянию систематических и случайных -необходимо обеспечить разнообразие режимов изменения погрешностей исходных данных, обусловленных перемещением магнитного состояния объекта контроля и возможность управления ими в локационных датчиков.

соответствии с текущими результатами контроля;

- датчики магнитной локации и информационные средства 2. Разработаны, изготовлены и исследованы новые типы интеллектуальных вторичного преобразования должны обладать свойствами адаптации к сенсорных модулей мехатронных комплексов, реализующие особенностям контролируемых объектов и текущим результатам контроля;

предложенные принципы конструктивного, информационного и - необходимо обеспечить разнообразие траекторий перемещения и программного объединения датчиков магнитной локации и возможность корректировки параметров движения датчиков магнитной силомоментного очувствления на основе общего подхода к обеспечению локации в соответствии с текущими результатами контроля;

инвариантности к параметрам контактирования с объектом контроля.

- методы и устройства обработки информации должны обеспечить 3. Разработан и программно реализован способ интеграции процессов эффективное подавление помех, обусловленных реализацией локационных шумоподавления в магнитных и силомоментных измерительных принципов контроля и диагностики.

компонентах МКМЛ, отличающийся единым методологическим Установлено, что в наиболее полной мере вышеизложенные принципы подходом на основе применения аппарата калмановского рекуррентного позволяет реализовать новое направление автоматизации НКТД - оценивания.

автоматизация на базе мехатронных комплексов магнитной локации.

Предложена структурная схема МКМЛ (рис. 1) и сформулировано 4. Предложен, программно и аппаратно реализован способ ускоренного следующее определение: МКМЛ - это автономно функционирующая формирования обучающих массивов данных для управляющих производственная система для магнитной локации технических объектов, компонент мехатронных комплексов магнитной локации с учётом объединяющая на общей интеграционной платформе мехатронные модули текущих результатов контроля при наличии существенной случайной неразрушающего контроля и диагностики с манипуляционносоставляющей сигнала. В основу способа положено совместное исполнительными мехатронными модулями. Аппаратные и программные использование метода статистических испытаний и дифференциального средства МКМЛ обеспечивают возможность встраивания мехатронных стробоскопического преобразования сигналов датчиков магнитной локации.

комплексов в производственные системы более высокого уровня.

5. На основе интеграции компонент, обеспечивающих движение, с компонентами, осуществляющими контроль и диагностику, разработан, 9 того, исследовались пробы полуфабрикатов, прошедшие моделирование отдельных технологических операций в лаборатории.

Рис. 6. Измерительный модуль МКМЛ МАГНИТ-КРИСТАЛЛ Моделирование проводилось при следующих значениях основных технологических параметров: толщина сопла - 500 мкм; ширина зазора между соплом холодильником - 250 мкм; скорость перемещения рабочей Рис. 1. Структурная схема мехатронного комплекса поверхности холодильника 25 м/с; приложенное давление 0,2 атм.;

плотность расплава 6820 кг/м3; длина теплового контакта - 50 мм. Рабочая Показано, что возможности мехатронных комплексов магнитной локации поверхность холодильника изготовлена из стали. Закалка проводилась в в решающей степени определяются двумя взаимосвязанными факторами:

смеси азота с воздухом (10%) при давлении 0,3 атм. Мехатронный комплекс степенью интеллектуализации мехатронных модулей и общими принципами выполнял статистическую обработку результатов измерений не менее, чем их функционирования, на основе которых модули объединяются в комплекс, для 50 областей магнитной локации, и формировал результаты исследований т. е. их интеграционной платформой. К числу важнейших функций в виде регрессионных уравнений и графиков статистически обработанных интеллектуальных мехатронных модулей МКМЛ отнесено следующее:

зависимостей. Экспериментально установлено, что текущие средние управление движением локационных элементов комплексов; управление значения частоты и магнитного момента скачков намагниченности, а также процессом перемагничивания объекта локации; обработка сенсорной обусловленной ими составляющей магнитной проницаемости информации; формирование компьютерной модели магнитной локации;

полуфабрикатов находятся в тесной корреляционной зависимости с анализ и обработка результатов магнитной локации; самодиагностика и магнитными свойствами готовой ленты. Предложен способ и разработана метрологическое обслуживание МКМЛ. В качестве интеграционной методика прогнозирования магнитных свойств готовой платформы объединения интеллектуальных модулей в мехатронный нанокристаллической ленты по результатам диагностики её полуфабрикатов комплекс предложен принцип управления модулями на основе учёта на ранних стадиях технологического цикла. текущих результатов локационного контроля.

29 В выводах по первой главе конкретизированы задачи исследований и выявлению многофакторной статистической взаимосвязи магнитных и намечены пути их решения. механических свойств нанокристаллического сплава различных разливок Вторая глава посвящена разработке методов формирования устойчивых после скоростной закалки с последующим высокотемпературным отжигом.

математических моделей магнитной локации, отражающих интеграционную На основе результатов эксперимента предложены способы повышения специфику мехатронных комплексов, и методов корректировки этих гибкости НКТД, обеспечивающие возможность количественного контроля моделей на основе учёта текущих результатов локационного контроля. механических и магнитных свойств нанокристаллических сплавов при Показано, что важной особенностью магнитной локации по сравнению с вариациях химического состава и режимов термообработки. С применением другими её видами является то, что сама локация не позволяет проявить предложенной методики расчёта погрешностей результатов взаимосвязи измеряемых и контролируемых параметров. Для этого многопараметрового магнитного контроля механических свойств необходимо решение обратных измерительных задач. Проанализированы подтверждена высокая достоверность такого контроля. Несколько образцов два типа обратных задач (ОЗ) этого рода: распознавание образа и МКМЛ МАГНИТ-Д и МАГНИТ-М в течение нескольких лет успешно построение модели. Установлено, что в информационно-алгоритмическом эксплуатируются на ряде предприятий аэрокосмического машиностроения.

аспекте теоретической основой магнитной локации являются методы Причём, Омское моторостроительное объединение им. Баранова, и решения обратных задач второго типа. Решение задач первого типа в ряде Акционерная компания Омскагрегат планируют расширения парка случаев упрощает процесс локации и может рассматриваться как МКМЛ.

вспомогательный приём. При решении ОЗ магнитной локации исходной В заключительном разделе главы представлены результаты диагностики является измерительная информация, полученная на однородной полуфабрикатов нанокристаллических лент на ранних стадиях представительной выборке типичных объектов, подлежащих НКТД и технологического цикла, выполненной с помощью МКМЛ МАГНИТотражающих наиболее вероятные вариации их параметров. В обучающих КРИСТАЛЛ, магнитоизмерительный модуль которого представлен на массивах экспериментальные данные представляются матрицей сигналов рис.6. Цель диагностики - прогнозирование магнитных свойств готовых A локационного датчика размера MN и матрицей контролируемых изделий, для целенаправленной корректировки технологического процесса B параметров размера MP, где M - количество образцов; N - и увеличения выхода продукции высшего качества. Для диагностики размерность сигнала локационного датчика; P - количество использовался метод, основанный на исследовании скачкообразных контролируемых параметров. С учётом ряда допущений несмещенной, процессов перемагничивания, отвечающий требованиям высокой эффективной и состоятельной оценкой вектора параметров регрессионной чувствительности к состоянию наноструктуры и химическому составу модели магнитной локации является решение нормальной системы полуфабрикатов нанокристаллической ленты. Исследования скачкообразных уравнений процессов перемагничивания были направлены на выявление =(АТА)-1АТВ. зависимостей между параметрами скачков корреляционных Оценка дисперсии предсказания для произвольного i-го объекта с aj - намагниченности в полуфабрикатах на ранних стадиях технологического вектором многомерного сигнала локационного датчика определяется цикла и магнитными свойствами готовой нанокристаллической ленты из выражением магнитомягкого сплава Co57Fe5Ni10Si11B17. С помощью гибких мехатронных 2 1 комплексов МАГНИТ-КРИСТАЛЛ в цеховых условиях исследовалась Sei = [1 + + aT ( AT A)-1a ]Se, (1) j j M продукция следующих видов: полуфабрикат после прохождения агрегата электронно-лучевого переплава; полуфабрикат после прохождения агрегата в котором первое слагаемой является оценкой остаточной дисперсии высокоскоростной закалки; полуфабрикат после агрегата регрессионной модели; второе слагаемое учитывает дисперсию оценки высокотемпературного отжига; полуфабрикат после прохождения агрегата постоянной составляющей модели; третье характеризует текущее значение термомагнитной обработки и готовая нанокристаллическая лента. Кроме дисперсии aj, обусловленное дисперсиями оценок параметров модели.

Формирование устойчивых регрессионных моделей для систем управления 11 использовались всегда все сингулярные числа, поэтому, возможно, мехатронных комплексов магнитной локации является сложной некоторые локальные модели были неустойчивы и давали плохие оценки. многокритериальной задачей. На основе вычислительных экспериментов Результаты второго этапа эксперимента выявили. что даже при упрощенном показано, что решающую роль для минимизации оценки дисперсии подходе оценки, выполненные с помощью адаптивного метода локального предсказания (1) играет правильный выбор предикторов модели с учётом моделирования, существенно точнее тех, которые получены по существенности их дисперсионных вкладов. Структурные особенности традиционному аналитическому уравнению линейной регрессии. вычислительного алгоритма, используемого для отбора предикторов, во Установлено, что при использовании программы DATA многом определяют эффективность компьютерных моделей магнитной среднеквадратическая погрешность оценивания глубины залегания дефекта локации. Решению практических задач управления мехатронными модулями и его диаметра снижается на 25Е30 %. Полученные результаты признаны МКМЛ в наибольшей степени соответствует шаговые алгоритмы. Показано, изобретениями и реализованы при разработке системы управления МКМЛ что их недостатком, ограничивающим технологическую гибкость МКМЛ, МАГНИТ-Д (рис. 5). является невозможность получения альтернативных моделей, учитывающих текущие результаты контроля. Установлено, что результатом синтеза является локальный оптимум на подмножестве предикторов при доминирующей корреляции контролируемого параметра с одним из них. По этой причине необходимо использование метода перебора, требующего значительных затрат времени на обучение мехатронных комплексов при переходе на новый вид контролируемых объектов и невозможность переобучения в процессе локации однотипных изделий.

На основе выполненного анализа предложен способ синтеза устойчивых математических моделей, отличающийся от известных совместным использованием модифицированного алгоритма, реализующего метод главных компонент, и модифицированного шагового алгоритма. На первом этапе построения модели осуществляется процедура отбора предикторов, имеющая отличительные особенности применения критериев отбора по сравнению с общепринятыми для шаговых алгоритмов. На втором этапе формируются матрицы исходных данных A и B. На третьем эти матрицы корректируются с учётом текущих результатов локации путём использования модифицированного алгоритма, реализующего метод главных компонент. Особенностью этого алгоритма является включение в процесс обучения, т.е. в процесс определения коэффициентов уравнения линейной регрессии, процедуры ортогонального вращения главных Рис. 5. Мехатронный комплекс МАГНИТ-Д компонент.

Разработан метод уточнения параметров регрессионной модели Второй раздел главы отражает результаты исследований, целью которых магнитной локации, позволяющий повысить производительность процесса является решение актуальной задачи автоматизации контроля механических переобучения МКМЛ за счет сокращения объёма физического эксперимента и магнитных свойств элементов электромагнитного экранирования из путём использования в нем результатов вычислительного эксперимента.

нанокристаллического сплава (на примере сплава Co57Fe5Ni10Si11B17). С Третья глава посвящена методам и устройствам обеспечения помощью МКМЛ МАГНИТ-М были проведены эксперименты по помехоустойчивости магнитной и силомоментной измерительных 27 компонент МКМЛ. Важнейшей причиной шумовой составляющей сигналов перемещения датчика на 180 градусов формировалось 36 магнитограмм.

является изменение условий контактирования при перемещение датчика Контролируемыми параметрами в этом эксперименте являлись диаметр d и относительно объекта контроля. Наличие компьютера в составе МКМЛ глубина залегания h дефекта. В качестве наблюдаемых использовались позволяет перейти от детерминистского подхода в решении задачи различные параметры магнитограммы. Например, такие традиционные, как шумоподавления к статистическому с использованием методов оптимальной размах А и интервал Т между экстремумами, а также амплитуды фильтрации. Математическую основу предлагаемого метода повышения спектральных составляющих разложения этого сигнала по заданной системе точности измерения составляет аппарат калмановского рекуррентного ортогональных базисных функций (тригонометрической, Уолша, Хаара, оценивания. Процедура Калмана используется для получения оптимальных полиномов Чебышева, Лежандра и др.). Экспериментальные результаты оценок значений как магнитных параметров, так и параметров сводились в матрицу наблюдений Z, которая обрабатывалась силомоментного очувствления. универсальной программой построения регрессионных уравнений. В Отличительная особенность предлагаемого метода состоит в том, что зависимости от того, какие параметры рассматривались в качестве входных, нелинейная математическая модель, описывающая полный цикл а какие считались выходными, находились решения либо прямых, либо перемагничивания объекта контроля, заменяется набором локальных обратных задач. На первом этапе эксперимента для традиционных линейных моделей, зависимости магнитного потока в изделии от параметров A и T в результате обработки 144 магнитограмм эти решения напряжённости намагничивающего поля Ф = f (H ). Число были получены в виде следующих регрессионных моделей линеаризованных участков соответствует числу ступеней А = 119,2 + 36,5d - 7,4h - 2,57H0 ;

намагничивающего сигнала. Алгоритм фильтрации Калмана формируется для линейного участка. При последовательном переходе с участка на T = - 7,9 + 6,7d + 4,4h + 0,16H0 ; (8) участок изменяются лишь некоторые коэффициенты фильтра. В третьей d = -2,21 + 0,51H0 + 2,0. 10-2A + 3,6. 10-2T ;

главе подробно рассмотрены алгоритмы фильтрации. В кратком изложении суть алгоритмов заключаются в следующем.

h = 5,17 - 0,82H0 - 3,1.10 -2A + 17,1. 10-2T, (9) Алгоритм фильтрации для приращения магнитного потока. На первом В этих уравнениях приняты следующие единицы измерения: для d и h - этапе формируется модель (уравнения динамики), изменения переменной десятки мкм, для H0 - десятые доли А/м, для А и Т - условные единицы. Как состояния объекта магнитной локации. Этой переменной в данном случае видно, общий характер зависимостей (8) и (9) соответствует теоретическим является i-е приращение магнитного потока, под объектом подразумевается формулам, связывающим параметры поля рассеяния и радиус дефекта испытуемое изделие, на которое воздействует i-я ступень цилиндрической формы, хотя эти зависимости получены формально, только намагничивающего поля. Модель имеет вид статистической обработкой экспериментальных данных без обращения к теории поля.

Фi (t) = FФi (t) + Giq(t) + Ciui (t), (2) Для сравнения предложенного и традиционных методов обработки Фi (t) где - магнитный поток; F, Gi, Ci - коэффициенты, определяющие информации на втором этапе эксперимента вся обучающая выборка была ui (t) - детерминированное входное воздействие динамику объекта;

разбита на две части. В обучающую выборку (ОМД), являющуюся основной q(t) (очередная ступень намагничивающего поля); - входной шум или шум для получения оценок с помощью программы DATAD, были внесены данные объекта, моделированный белым гауссовым шумом с нулевым средним.

для 72 магнитограмм с нечётными номерами, остальные 72 магнитограмм с Следующим этапом является формирование разностного уравнения, чётными номерами составили поверочную выборку для контрольного описывающего динамику дискретного объекта и соответствующего оценивания по обычно используемым в дефектометрии линейным уравнению (2) регрессионным уравнениям. При этом для обработки применялся Фi [tk +1] = [tk +1, tk ]Фi [tk ]+ Г q[tk ]+ iU [tk ], (3) i i упрощённый вариант программы DATAD, без поиска начальной достоверной локальной модели. Кроме того, при построении локальных моделей 13 где [tk +1,tk ] - переходный коэффициент, определяемый постоянной используемая при проектировании Гi времени объекта управления и интервалом t проведения измерений, - силомоментных датчиков мехатронных i коэффициент возмущения; - коэффициент при детерминированном комплексов различного назначения.

Гi входном воздействии. Коэффициенты и i определяются параметрами Седьмая глава посвящена намагничивающего устройства и объекта локации.

экспериментальному подтверждению На третьем этапе формируется математическая модель измерительной эффективности мехатронных части системы или уравнение измерений в следующем виде комплексов с глубокой интеграцией Zi[tk ]= A[tk ]Фi[tk ]+ y[tk ]+ v[tk ], основных компонент при решении задач где A[tk ] - коэффициент, связывающий ненаблюдаемую переменную многофункционального контроля и состояния Фi[tk ], т.е. магнитный поток, с выходным сигналом диагностики крупногабаритных Zi[tk ] y[tk ] измерительной системы ; - детерминированная составляющая технических объектов с элементами из или постоянное смещение на выходе измерительной системы; v[tk ] - шум нанокристаллических магнитомягких измерений, характеризуемый интенсивностью R[tk ]. При условии сплавов. Первый раздел отражает q[tk ] v[tk ] некоррелированности случайных последовательностей и результаты этих исследований в дискретный фильтр Калмана имеет вид:

Рис. 4. Датчик силомоментного области дефектометрии. Решались две очувствления сенсорного модуля задачи: первая - исследовать свойства и T i tk,tk -1 = tk,tk -1 i tk -1,tk -1 tk,tk -1 + ГiQ tk ГiT ;

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] возможности разработанных методов компенсации влияния параметров контактирования сенсорного модуля с объектом контроля, вторая - -Ki tk =i tk,tk -1 AT tk A tk i tk,tk -1 AT tk + R tk ; [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] { } исследовать возможность достоверного оценивания параметров дефектов (размеров и глубины залегания) с помощью предложенных методов i tk,tk -1 = 1- Ki tk A tk i tk,tk -1 ;

[ ] { [ ] [ ] [ ] } , (4) моделирования и программных средств. Обучение мехатронного комплекса, проводилось на элементах электромагнитного экранирования с размерами Фi tk = tk,tk -1 Фi tk -1 + iUi tk + Ki tk zi tk + [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] { 1500x1000x5 мм3, выполненных из ленты нанокристаллического сплава Co57Fe5Ni10Si11B17. Моделировались наиболее вероятные дефекты, связанные + y tk A tk tk,tk -1 Фi tk -1 + iUi tk [ ]- [ ] [ ] [ ] [ ] } с разрывом лент и образованием воздушных карманов во внутренних слоях элементов. Модели дефектов выполнялись с помощью лазера в виде где i[tk,tk ] - апостериорная дисперсия переменной состояния; i[tk,tk -1] - отверстий в торцевой грани изделия различных диаметров d (50Е500 мкм) с априорная дисперсия переменной состояния; Ki[tk ] - коэффициент различными глубинами залегания hЗ (до 5103 мкм). Нормальная Фi[tk ] усиления; - оценка переменной состояния.

составляющая поля дефекта (сигнал от дефекта) считывалась сенсорным Особенностью реализации данного алгоритма является следующее. В модулем мехатронного комплекса. При локации сенсорный модуль zi[tk ] течение времени обработки результатов измерений i-го приращения перемещался по траектории, которая формировалась с помощью Гi i магнитного потока коэффициенты и остаются постоянными.

Фi предложенного интерполятора в результате прямолинейного возвратно- Гi+1 i+При переходе к следующему приращению они заменяются на и в поступательного движения с одновременным вращением плоскости, в соответствии с изменением наклона линеаризованного участка = f (H ) характеристики. После того, как испытуемое изделие которой это движение совершалось. При формирования обучающего намагнитится под действием очередного i-го приращения напряжённости массива данных выходной сигнал датчика, полученный в результате поля, фиксируется набор результатов измерений i-го приращения локации поверхности контролируемого образца, преобразовывался магнитного потока. Этот набор усредняется. Одновременно усредняются и адаптивным преобразователем (гл. 5) в магнитограммы, состоящие из 1соответствующие значения приращения напряжённости. Отношение мгновенных значений. При повороте плоскости возвратно-поступательного средних значений приращений потока и напряжённости даёт коэффициент 25 Ki, который пропорционален дифференциальной магнитной S S v = - vo (t1 /T )sign ; v = vo (t2 / T )sign. (7) x y проницаемости изделия на i-ом участке кривой намагничивания. Затем y x Ki Гi i определяются коэффициенты модели (3) и, которые связаны с С учётом подобия треугольников на рис. 3 справедливы следующие известной линейной зависимостью. Завершающим этапом является соотношения вычисление оценки Фi[tk ] в соответствии с алгоритмом (4). Возможно уточнение оценки путём повторного запуска процедуры фильтрации на /T = ( p + ) / t1; t1 = T (1+ p / ) ; t2 = T ( + p / ), основе уточнённой математической модели.

Алгоритм калмановской фильтрации для мехатронных где = 1- . Таким образом, (7) можно представить в виде магнитолокационных комплексов реализован программно. В диссертации S S приведена структура программного обеспечения и дано описание наиболее v = - vo (1+ p / )sign ; v = vo ( + p / )sign.

x y y x важных подпрограмм. Представлены результаты применения рекуррентной калмановской процедуры для получения оценок приращений магнитного Анализ последних формул показывает, что текущие средние значения потока и напряжённости магнитного поля. Эксперимент проводился для p = Ssign(S x) и , т. е.

сигналов vx и vy зависят от величин, случая, когда СКО шума измерений составляло 4%, а входной шум - 3% от предложенный способ позволяет не только реализовать эффект уровня входного полезного сигнала. Наблюдалось быстрое снижение вибрационной линеаризации, но и адаптировать параметры движения погрешности с увеличением числа шагов процедуры оценивания, что сенсорного модуля к текущим значениям сигнала магнитной локации свидетельствует о хорошей сходимости фильтра. Например, при пяти шагах рекуррентного оценивания приращения магнитного потока погрешность МКМЛ.

оценки фильтруемого сигнала уменьшалась почти в 40 раз.

Для сенсорного модуля мехатронного комплекса разработан датчик В четвёртой главе диссертации отражены исследования, целью силомоментного очувствления с расширенным динамическим диапазоном, которых является повышение достоверности НКТД на основе обеспечивающий измерение сил, действующих вдоль оси Y, а также конструктивного, информационного и программного объединения датчиков изгибающих моментов вокруг осей X и Z (рис. 4). Датчик состоит из двух магнитной локации и датчиков силомоментного очувствления в единый жёстко связанных между собой идентичных модулей, развёрнутых в интеллектуальный сенсорный модуль мехатронного комплекса.

плоскости XOZ на 90 друг относительно друга, с размещенными на них Сформулированы принципы построения сенсорных модулей для МКМЛ, намагничивающими и измерительными обмотками. Под действием важнейшими из которых являются следующие:

измеряемых сил и моментов происходит деформация упругих перемычек 1 и Х система управления сенсорного модуля обеспечивает реализацию 2, которая приводит к изменению параметров магнитной цепи датчика.

сложных нелинейные законов управления с использованием Высокая магнитоупругая чувствительность достигается применением в информации силомоментного очувствления о параметрах качестве материала датчика сплава 44НХТЮ (max = 1300, Br = 0,28 Tл, Bs = контактирования с объектом контроля;

0,55 Tл), а также за счет концентраторов напряжений, которыми являются Х важнейшим элементом сенсорного модуля является интеллектуальный отверстия 3 на упругих перемычках модулей. Датчик отличается от регулятор на основе высокопроизводительного цифрового известных тем, что изменение магнитного сопротивления цепи обусловлено микроконтроллера;

двумя причинами: изменением воздушных зазоров и проявлением Х в основе функционирования интеллектуального регулятора лежит магнитоупругого эффекта. Это обстоятельство, существенно расширяя многомерная математическая модель, учитывающая статистический диапазон измеряемых сил и моментов, позволяет использовать характер взаимосвязи основных параметров датчика и параметров преобразователь в мехатронных комплексах не только как источник контактирования с объектом локации.

информации датчика магнитной локации, но и для силомоментного Эффективность реализации этих принципов проиллюстрирована на управления манипуляционно-исполнительным модулем в сочетании с примере сенсорного модуля МКМЛ МАГНИТ (рис. 2). При разработке управлением по вектору скорости. Предложена математическая модель, модуля принципиальным является вопрос о математической модели, 15 стробирующих импульсов, будем считать постоянными. С учётом этих связывающей его параметры с параметрами контактирования и другими замечаний алгоритм работы предлагаемого интерполятора поясняется влияющими факторами. На основе этой модели синтезируются диаграммами на рис. 3. управляющие гиперповерхности, представленные в виде специально организованных обучающих массивов данных интеллектуального регулятора. Гибкость МКМЛ требует и гибкости используемых моделей. В p* связи с этим предлагается использовать совокупность регрессионных моделей, каждая из которых соответствует лишь локальной области обучающей выборки.

p T t t t 1 v X t -vvy vt Рис. 3. Диаграммы работы интерполятора Для упрощения восприятия представлены диаграммы аналогового варианта интерполятора. Диаграмма пилообразной формы соответствует Рис. 2. Сенсорный модуль МКМЛ МАГНИТ выходному сигналу интегратора, на вход которого подаются поочерёдно Для реализации метода локального моделирования интеллектуальным стробирующие импульсы с амплитудой равной мгновенным значениям регулятором решены следующие принципиальные задачи:

выходного напряжения сенсорного модуля и образцовое компенсирующее Х выбрана аналитическая формула для локальных моделей;

напряжение противоположной полярности постоянного уровня. Через Х определён способ выделения области применения локальной модели;

обозначено отношение длительности временного интервала, в течение Х предложен критерий выбора размеров этой области;

которого p*>p, к периоду работы интерполятора T = t1 + t2. С учётом того, Х разработаны способы определения параметров локальных моделей.

что время интегрирования выходного напряжения датчика постоянно и Две последние задачи являются наиболее важными. Коротко изложим их равно длительности стробимпульса, значение коэффициента определяется суть и предложенные методы решения.

выходным напряжением датчика в момент стробирования. Средние текущие значения компонент скорости перемещения датчика можно определить так 23 Критерий выбора размеров области применения локальной модели, результатом интегрирования мгновенных значений контролируемых должен учитывать как сложность последней, так и количество точек, по параметров. При технической реализации способа интегрируются короткие которым модель восстанавливается. Обычно используемый критерий импульсы с амплитудой равной текущим значениям контролируемых минимума функционала среднеквадратической погрешности не учитывает параметров. Корректирующее воздействие f(t) на входе логического сложность модели. В диссертации показано, что с учётом требований, переключающего устройства в общем случае является пилообразным с которые предъявляются к сенсорному модуля как к измерительному изменяющимся наклоном. Интерполятор имеет запаздывание в преобразователю, целесообразно использовать подход, предложенный В.Н. переключении компонент вектора управления, а на входе логического Вапником для восстановления зависимостей по выборкам ограниченного переключающего устройства действует сигнал p* (t) = p(t) + f*(t), где * объёма. Этот подход основан на минимизации среднего риска по f (t) = f (t)sign[(S x)(S y)]; S - траектория, по которой в идеале эмпирическим данным. Для оценки среднего риска J используется формула должно происходить перемещение. Если исполнительный модуль имеет ортогональную кинематическую схему, а движение контролируемой точки 1 + k e(k) J C(k),k = I C(k), (5) [ ] [ ] осуществляются в плоскости XY, то система уравнений, соответствующая 1 - 1/ k e(k) адаптивному интерполятору, имеет следующий вид:

. vx (t) = v*(t - ) ; vy (t) = v* (t - ) ;

x y 2k S -v sign при = 1;

(n +1) ln+ +1 - ln o (k +1)(n +1) v* = Fx ( ) = y где x e(k) = ;

(k +1) - (n +1) 0 при = -1;

ln z при z 1;

S v sign при = -1;

ln+ z = 0 при z <1;

o v* = Fy ( ) = x y 0 при = 1;

z при z 0;

[z] = при z < 0;

1 при p* > 0;

S S = F( p*) = p = Ssign.

x y -1 при p* < 0;

IЭ[C(k)] - средний эмпирический риск; - уровень надёжности оценки ; C(k)={cjk} - вектор коэффициентов локальной модели; k - Выходные сигналы нелинейных элементов реального интерполятора vx* 0 <( ) фиксированное число используемых точек обучающего массива данных. и vy* представляют собой последовательности импульсов, текущая частота Новым является то, что в качестве среднего эмпирического риска для которых () определяется частотой стробирования выходного сигнала сенсорного модуля МКМЛ в диссертации предложено использовать оценку сенсорного модуля и его уровнем в момент стробирования. Значение суммарной остаточной дисперсии методических и инструментальных лежит за пределами высокочастотной области полосы пропускания погрешностей измерения регрессоров локальной модели. С учётом исполнительных компонент мехатронного комплекса. Интерполятор, таким незначительной взаимной корреляции погрешностей формула имеет образом, представляет собой замкнутую систему для текущих средних следующий вид значений названных сигналов и разомкнутую для их высокочастотных составляющих. Для реальных скоростей перемещения сенсорного модуля k n n I (k) = yi - + текущие средние кинематических переменных vx* и vy* являются медленно [ ] { C(k) xi [C(k) ]2(xj )2}, (6) j j j k i=1 j=1 j= изменяющимися функциями времени. Их значения, а также значение S на временных интервалах, включающих несколько последовательных 17 соотношением 2 = A/N. В предложенном преобразователе число испытаний где y(i) - значения параметров сенсорного модуля; x(i) - значения при заданном значении среднеквадратичной погрешности сокращается за параметров контактирования; n - количество регрессоров модели.

счёт проведения испытаний в области более узкой, чем область изменения Таким образом, предлагается в качестве оптимальной локальной модели u(t) выходного напряжения датчика, т. к. значение пропорционально не сенсорного модуля МКМЛ принимать ту, которая соответствует минимуму мгновенному значению выходного напряжения датчика, а разности между функционала среднего риска (5), рассчитывая при этом эмпирический значениями этого напряжения в двух последовательных моментах средний риск по формуле (6). Оценку (5) при малом объёме выборки k стробирования. Таким образом, за счёт МСИ обеспечивается приемлемый можно рассматривать как оценку точности модели, аппроксимирующей уровень методических погрешностей, а свойственное этому методу низкое искомую регрессию в окрестности точки X(0). Она может быть использована быстродействие компенсируется применением дифферециального для определения доверительных границ области применения локальной преобразования. На этой основе разработаны и реализованы способы модели с заданным уровнём надёжности.

повышения быстродействия устройств формирования (ОМД) мехатронных При выборе способа определения коэффициентов модели принято во комплексов магнитной локации за счет автоматического изменения шага внимание следующее. Во-первых, в силу специфики моделируемого объекта считывания в соответствии с параметрами выходного сигнала сенсорного необходимо обеспечить устойчивость способа к влиянию мешающих модуля, т. е. в соответствии с текущими результатами контроля. факторов (вибрации при перемещении датчика, электромагнитных помех и В шестой главе отражены исследования по управлению движением т.п.), приводящих к появлению аномальных результатов в процессе сенсорных модулей мехатронных комплексов на основе информационной обучения. Матрица ATA системы нормальных уравнений, построение интеграции манипуляционно-исполнительных компонент с компонентами, которой предполагает традиционный метод наименьших квадратов, часто осуществляющими неразрушающий контроль и диагностику. Установлено, имеет большое число обусловленности. В этом случае при любом методе что для МКМЛ наиболее целесообразно контурное управление движением. решения ошибки во входной информации и ошибки округлений Однако возможности исполнительных модулей в этом случае недопустимо возрастают в вычисленных значениях коэффициентов. Воограничиваются тем, что параметры движения должны быть заданы заранее вторых, следует учесть, что оценка среднего риска (5) пропорциональна на этапе переобучения. Это оказывается недостаточным, когда для контроля среднему эмпирическому риску. При фиксации k в функционале (6) будет требуется изменение параметров движения непосредственно в процессе доминировать первое слагаемое, которое представляет собой локации, например, при обнаружении дефекта или неоднородностей среднеквадратическое отклонение, традиционно применяемое при механических и магнитных свойств. С использованием программных восстановления зависимостей классическим методом наименьших моделей проанализированы наиболее распространённые методы квадратов. С учётом этих двух замечаний сделан вывод о целесообразности интерполяции траекторных перемещений в аспекте возможности создания использования метода наименьших квадратов в качестве основы способа на их базе алгоритмов управления движением с учётом текущих определения коэффициентов модели, но не в классическом, а в робастном результататов контроля. Исследовались следующие алгоритмы варианте, т.е. в варианте устойчивом к влиянию неблагоприятных факторов.

интерполяции: на основе параметрического уравнении траектории; на Преодолеть вышеназванные затруднения при проектировании датчиков основе метода оценочной функции; на основе метода цифровых МКМЛ предлагается использованием матричной факторизации, называемой дифференциальных анализаторов (ЦДА) и алгоритм CORDIC (цифра за сингулярным разложением (СР). Сингулярным разложением действительной цифрой). Сделан вывод о том, что для повышения гибкости мехатронных матрицы A называется всякая факторизация вида комплексов магнитной локации путём изменения параметров движения A = U VT, (7) сенсорного модуля в соответствии с текущими результатами контроля и где U - ортогональная матрица размерностью k k ; V - ортогональная диагностики целесообразно применение метода оценочной функции. Для матрица размерностью ( n+1) (n+1); - диагональная матрица k ( n+1), у этого предлагается корректировать режим работы логического которой i j = 0 при i j и i i = i 0. Если для матрицы плана A построено переключающего устройства интерполятора сигналом, который является сингулярное разложение вида (7), то вектор искомых коэффициентов B 21 находится как результат умножения определённых ранее матриц по формуле компьютерных моделей магнитной локации в соответствии с алгоритмом, B = V S UT CК, где S - диагональная матрица размерностью (n+1)k, у предложенным во второй главе. Алгоритм позволяет за счёт сокращения которой элементы si j = 0 при i j; элементы si i = 1/ i при i > пор. и si i = 0 количества косвенных измерений при проведении физического при i пор.. Здесь пор. - граница, отделяющая пренебрежимо малые эксперимента уменьшить время корректировки ОМД в процессе контроля сингулярные числа от учитываемых. На основе результатов теоретических и или при изменении номенклатуры контролируемых изделий. Сложность экспериментальных исследований, изложенных в третьей главе, разработано заключается в том, что для мгновенных значений выходных сигналов программное обеспечение для системы управления датчиком МКМЛ локационных датчиков характерна сильная взаимная корреляция. Поэтому МАГНИТ. Программные средства позволяют реализовать метод при их использовании требуется формирование обучающих массивов локального моделирования с использованием сингулярного разложения для данных существенно большего объёма, чем при реализации определения параметров локальных моделей. В их состав входит неразрушающего контроля другими методами. Второй причиной универсальная многофункциональная программа DATA и вспомогательные необходимости ОМД большого объёма, является сильное влияние программы работы с файлами данных. случайных помех, связанных, в первую очередь, с перемещением сенсорного Практическая реализация интеллектуального сенсорного модуля стала модуля по поверхности объекта контроля.

возможной лишь в последние годы. Это связано, во-первых, с доступностью Формирование ОМД большого объёма с помощью обычных методов 16-битных микроконтроллеров нового поколения и цифровых емкостных стробирования требует такого увеличение времени обучения МКМЛ, делителей напряжения с энергонезависимой памятью. Интеллектуальный которое сводит к нулю преимущества предложенного метода синтеза и регулятор модуля выполнен на базе микроконтроллеров PIC 24 компании корректировки компьютерных моделей. В связи с этим для мехатронных Microchip. В качестве элемента с управляемой ёмкостью в датчике модулей магнитной локации разработано, устройство для формирования магнитной локации применены 4-х канальные ёмкостные делители с ОМД, реализующее метод дифференциального стробирования совместно с функциями запоминания семейства ADC52x компании Analog Devices. методом статистических испытаний (МСИ). Это устройство по скорости Вторым важным фактором, позволившим практически реализовать формирования ОМД мало отличается от устройств прямого преобразования, предложенное техническое решение, явилась возможность использовать в а по точности не уступает преобразователям компенсационного типа. Более качестве материала магнитопроводов сенсорного модуля аморфный того, при высоком уровне случайных составляющих выходного сигнала магнитомягкий сплав (АММС) Fe81Si5B14. Для этого АММС характерна датчика этот преобразователь позволяет снизить требуемый объём ОМД.

исключительно высокая относительная магнитная проницаемость (порядка Его первая отличительная особенность состоит в том, что по цепи прямого 106), обеспечивающая чувствительность датчика, достаточную для преобразования передаётся сигнал u(t) пропорциональный не регистрации микропроцессов перемагничивания. Низкие удельные потери мгновенному значению выходного напряжения датчика, а разности между энергии на перемагничивание (порядка 10-1 Вт/кг при максимальной значениями этого напряжения в двух последовательных моментах индукции 1,5 Тл на частоте 400 Гц) позволяют датчику работать в широком стробирования, т. е. в реализации дифференциального метода. Вторая диапазоне частот. Индукция насыщения АММС также существенно выше, особенность заключается в сравнении разностного сигнала u(t) со x чем у пермаллоев (1,5Е1,8 Тл). Это наряду с применением фольговых случайной величиной, имеющей равномерную функцию распределения обмоток обеспечивает компактность датчика. Кроме того, АММС обладают F(x) в интервале 0 x , т. е. в реализации МСИ. Диапазоны хорошими механическими свойствами и высокой коррозионной стойкостью, изменения измеряемого и моделируемого случайного сигналов что немаловажно при эксплуатации сенсорного модуля в составе устанавливаются одинаковыми. При этом математическое ожидание мехатронного комплекса магнитной локации. измеряемой величины равно вероятности P(u>x).

Пятая глава посвящена разработке и исследованию адаптивных Необходимое число испытаний N зависит от допустимой устройств вторичного преобразования информации для формирования среднеквадратичной погрешности оценки мгновенного значения сигнала и обучающих массивов данных (ОМД) при синтезе и корректировке диапазона значений преобразуемой величины в соответствии с 19 Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям