РАЗРАБОТКА  РОБОТИЗИРОВАННОГО  КОМПЛЕКСА  ДЛЯ  ТЕПЛОВОГО  НЕРАЗРУШАЮЩЕГО  ЭКСПРЕСС-КОНТРОЛЯ  ТВЕРДЫХ  И  ДИСПЕРСНЫХ  МАТЕРИАЛОВ

Кирина  Мария  Валерьевна

магистрант 
Тамбовского  государственного  технического  университета,

РФ,  г.  Тамбов

E -mail:  slyfox197@rambler.ru

Чуриков  Александр  Алексеевич

канд.  техн.  наук,  профессор  кафедры  «Управление  качеством  и  стандартизация»  Тамбовского  государственного  технического  университета, 
РФ,  г.  Тамбов

E-mail: 

DEVELOPMENT  ROBOTIC  COMPLEX  FOR  THERMAL  NON-EXPRESS  SOLID  AND  CONTROL  DISPERSE  MATERIALS

Maria  Kirina

undergraduate  of  Tambov  State  Technical  University, 
Russia,  Tambov

Alexander  Churikov

candidate  of  Science,  professor  of  "Quality  management  and  standardization"  of  Tambov  State  Technical  University, 
Russia,  Tambov

АННОТАЦИЯ

Проведены  исследования,  теоретического  и  экспериментального  характера,  работоспособности  тепловой  инспекционной  робототехнической  системы,  состоящей  из  модулей,  построенных  на  базе  транспортного  робота  горизонтального  или  вертикального  перемещения,  технологической  платформы,  на  которой  установлено  измерительное  и  инспекционное  оборудование  и  подсистемы  управления  движением  и  измерениями.  Настоящий  технологический  комплекс  неразрушающего  теплового  контроля  (НТК)  является  одним  из  основных  компонентов  проекта  по  созданию  комплексной  системы  диагностики  внешних  теплоизоляционных  свойств. 

ABSTRACT

Conducted  research,  theoretical  and  experimental,  performance,  thermal  inspection  robotic  system  composed  of  modules  based  on  transport  robot  horizontal  or  vertical  movement,  a  technological  platform,  which  is  equipped  with  measuring  and  inspection  equipment  and  subsystems  traffic  management  and  measurement.  This  technological  complex  of  non-destructive  thermal  control  (STC)  is  one  of  the  main  components  of  the  project  to  create  integrated  diagnostic  system  external  thermal  insulation  properties.

Ключевые  слова:   неразрушающий  тепловой  контроль;  технологические  роботы  вертикального  и  горизонтального  перемещения;  импульсные  методы;  неразрушающий  экспресс-контроль  (НЭК);  теплофизические  свойства  (ТФС);  теплоизоляционные  материалы;  расчетные  зависимости,  измерительная  мехатронная  система.

Keywords:  non-destructive  thermal  control;  technological  robots  vertical  and  horizontal  movement;  pulse  methods;  nondestructive  express-control  (NEC);  thermal  properties  (TPS);  thermal  insulation  materials;  Depending  on  the  design,  measurement  mechatronic  system.

В  настоящее  время  большое  внимание  уделяется  проблеме  энергосбережения,  что  обусловлено,  в  первую  очередь,  высокими  ценами  на  энергоресурсы.  Решение  проблемы  минимизации  тепловых  потерь  для  объектов,  производящих,  передающих  или  использующих  тепловую  энергию,  напрямую  зависит  от  качества  применяемых  теплоизоляционных  материалов.  Одними  из  важнейших  качественных  характеристик  этих  материалов  являются  их  теплофизические  свойства  (ТФС),  такие  как  теплоемкость,  теплопроводность  и  температуропроводность. 

Современные  методы  позволяют  оперативно  определять  теплофизические  свойства,  не  подвергая  материал  разрушению.  Для  определения  качества  изделий  необходимо  измерение  теплофизических  свойств  в  нескольких  участках,  подверженных  повреждениям  и  потере  тепловых  свойств,  например,  на  участках  ближе  к  краю  и  по  центру.  Мобильные  роботы  в  настоящее  время  используются  в  промышленности  и  в  местах  труднодоступных,  неудобных  или  опасных  для  человека. 

Как  правило,  снятие  показаний  ТФС  предусматривает  ручной  труд,  при  этом  человек  длительное  время  совершает  монотонную  работу,  что  сказывается  на  его  утомляемости  и  снижению  эффективности  работы  в  целом.  Поэтому  наша  задача  разработать  робототехническую  систему  контроля  свойств  участка  горизонтальной  и  поверхности  изделий  и  автоматизировать  данный  технологический  процесс.  Для  этого  требуется  разработать  манипулятор,  передвигающийся  по  заданной  траектории  по  поверхности  материала  для  снятия  показаний  датчика.  Таким  образом,  для  исследования  тепловых  свойств  участка  поверхности  изделий  наиболее  подходящий  для  нас,  с  точки  зрения  оперативности,  представляют  информационно-измерительные  системы  (ИИС),  реализующие  импульсные  методы,  позволяющие  осуществлять  неразрушающий  экспресс-контроль  (НЭК)  ТФС  твердых  материалов. 

Для  реализации  метода  НК  ТФС  изделий  из  теплоизоляционных  материалов,  разработана  робототехническая  установка  «Испытательный  стол»,  изображенная  на  рисунке  1,  измерения  проводятся  по  отдельным  точкам  термограмм.  За  основу  робототехнической  установки  был  выбран  стол,  выпускаемый  на  заводе  «Twitte». 

На  рисунке  1  отмечено  цифрами  1  —  стол,  2  —  координатное  передвижение,  3  —  мобильный  измерительный  зонд  (МИЗ).  Общий  вид  МИЗ  изображен  на  рисунке  2,  который  является  основным  измерителем.

Рисунок  1.  Испытательный  стол

а) 

б)

Рисунок  2.  Мобильный  измерительный  зонд:  а)  общий  вид;  б)  измерительный  блок  в  составе:  1  —  металлический  корпус.  2  —  эталонный  сравнительный  образец.  3  —  оригинальный  блок,  содержащий:  интегральный  датчик  температуры,  плоский  круглый  датчик  теплового  потока,  плоский  круглый  нагреватель

Тепловому  контролю  подлежат  образцы  различных,  но  весьма  небольших  размеров,  следовательно,  наиболее  приемлемым  будет  моделирование  исследуемого  образца  в  виде  полуограниченного  тела.  Организацию  нагрева  полуограниченного  тела  наиболее  просто  осуществить  через  участок  простейшей  геометрической  формы,  поэтому  мы  выбираем  круг  как  участок  поверхности  исследуемого  образца,  через  который  поступает  тепловой  поток. 

Математические  модели  относительного  и  абсолютного  методов  неразрушающего  контроля  комплекса  теплофизических  свойств  (теплопроводности  и  температуропроводности),  предполагают  тепловое  воздействие  постоянным  во  времени  тепловым  потоком  плотностью  .

В  этих  методах  основным  экспериментальным  параметром  является  временная  интегральная  характеристика  температуры  поверхности  нагреваемого  образца  вида:

p>  0, 

где:  S(t)  —  измеряемая  средне-интегральная  температура  нагреваемого  круга, 

p  —  параметр  преобразования  Лапласа.

Математическая  модель  для  относительного  метода  определения  теплофизических  свойств  предполагает  наличие  двух  полуограниченных  тел,  соприкасающихся  в  плоскости  ,  причем  значения  величин  теплопроводности    и  температуропроводности    верхнего  тела  известны  и  постоянны.

Рисунок  4.  Модель  измерительного  блока  для  относительного  метода  НК  теплофизических  свойств

Предполагаем,  что  в  эксперименте  выполняются  следующие  условия:

·     исследуемое  ()  и  сравниваемое  ()  тела  по  отношению  к  тепловому  воздействию  являются  полуограниченными  (рисунок  4);

·     в  плоскости  контакта  действует  источник  тепла  в  виде  круга  ,  выделяющий  удельный  тепловой  поток  Q(t),  причем  теплообмен  между  телами  пренебрежимо  мал  и  тепловые  потоки,  направленные  каждый  в  одно  соответствующее  тело  от  источника  тепла,  имеют  постоянные  по  координате  r  плотности 

·     удельный  тепловой  поток  Q(t),  а,  следовательно,  и  тепловые  потоки    ограничены  во  времени.

·     в  плоскости  контакта  z  =  0  температура  исследуемого  тела  равна  температуре  сравниваемого  тела.

·     тела  имеют  постоянную  одинаковую  начальную  температуру  (считаем  ее  равной  нулю).

При  данных  допущениях  температурное  поле  двух  соприкасающихся  полуограниченных  тел  будет  описываться  решением  следующей  осесимметричной  краевой  задачи:

,

(t>  0,  0  ≤  r  <∞,  0  ≤  z  <+∞);

Величину  теплопроводности  материала  находим  по  формуле:

.

Для  определения  значений  величин  теплопроводности  λ  исследуемого  тела  необходимо  знать  значения  интегральных  характеристик  температуры,  а  также  значения  интегральной  характеристики  удельной  тепловой  мощности,  выделяемой  плоским  круглым  нагревателем  (эта  мощность  в  процессе  эксперимента  задается). 

Измерительная  мехатронная  система  управляется  с  помощью  контроллера  по  заданному  алгоритму  проведения  НК  ТФС  в  точках,  определенных  оператором  или  в  точках,  где  эксплуатируется  изделия,  задаваемых  технологом.  Блок-схема  управления  испытательным  столом  изображена  на  рисунке  5.

Рисунок  5.  Блок-схема  управления  роботизированным  испытательным  столом  для  НЭК  ТФС  участка  горизонтальной  или  вертикальной  поверхности  изделий

Таким  образом,  благодаря  применения  манипуляторов  автоматизированной  робототехнической  измерительной  системы,  нет  необходимости  использовать  ручной  труд  оператора,  вносящий  значительную  погрешность  в  проведение  НК  ТФС,  и  измерять  тепловой  поток,  направленный  в  исследуемое  тело,  при  четко  автоматически  поддерживаемом  тепловом  контакте,  что  значительно  упрощает  конструкцию  зонда  и  измерительную  схему  измерительной  мехатронной  системы,  а,  следовательно,  повышает  надежность  работы  всей  экспериментальной  установки.

Список   литературы:

1.Градецкий  В.Г.,  Рачков  М.Ю.  Роботы  вертикального  перемещения  М.:  Тип.  Мин.  Образования  РФ.  1997.  —  223  с.

2.Карташов  Э.М.  Аналитические  методы  в  теории  теплопроводности  твердых  тел.  М.:  Высшая  школа,  2001. 

3.Кирина  М.В.,  Сычев  В.А.,  Чуриков  А.А.,  Расчетные  зависимости  абсолютного  и  относительного  методов  определения  теплопроводности  твердых  и  дисперсных  материалов//  Труды  ТГТУ.  Тамбов:  Изд-во  Тамб.  гос.  техн.  ун-та,  2015,  Вып.  41. 

4.Чуриков  А.А.  Разработка  и  исследование  методов  и  устройств  для  автоматического  неразрушающего  контроля  температурозависимых  теплофизических  свойств  твердых  теплозащитных  материалов:  Дис.  ...  канд.техн.наук.  М.:  МИХМ,  1980. 

5.Russell  R.  Andrew;  Paoloni,  Frank  J.A.  Robot  Sensor  for  Measuring  Thermal  Properties  of  Gripped  Objects.  //  Instrumentation  and  Measurement,  IEEE  Transactions  on    (Volume:  IM-34,  Issue:  3  ).  Sept.  1985.  Page(s):  458—460.