Разработка программно-аппаратных средств нейтрализации воздействия вибрационных помех на измерительное оборудование в условиях промышленной эксплуатации микротвердомеров и наноиндентометров

Объект прикладных исследований: ряд сопряженных система типа пассивная виброзащитная платформа + наноиндентометр или микротвердомер, активная виброзащитная платформа + наноиндентометр или микротвердомер. Цель ПНИЭР. Всесторонний анализ возможности использования метода инструментального индентирования и микротвердометрии в условиях промышленного производства и заводской лаборатории. Основной задачей решаемой в ходе выполнения было повышение точности измерения твердости и модуля Юнга в условиях повышенного вибрационного воздействия. Были проанализированы уровни виброизоляции, обеспечиваемые различными типами виброизолирующих платформ, типичные уровни сейсмошума в различных помещениях, влияние вибраций на процесс инструментального индентирования и способы пассивного (постфактум, то есть при обработке данных) и активного (в режиме реального времени, то есть путем корректировки усилия индентирования на основании данных о мгновенном значении колебательного ускорения) подавления влияния сейсмических помех на процесс инструментального индентирования. Результаты работ и их новизна. Задача защиты измерительного оборудования от вибрации является комплексной и предполагает целый ряд профилактических мероприятий. В последние годы особое внимание стали уделять не только методам подавления влияния вибраций на технологическое оборудование, но и уменьшению того уровня вибраций, который создает различное работающее оборудование, то есть виброизоляции источников сейсмошума. Это стало своего рода экологической проблемой и борьба с акустическими, гидроакустическими и сейсмическими шумами антропогенного происхождения стала актуальной задачей при проектировании самых разнообразных производств. По имеющимся данным, даже при широком использовании систем виброизоляции уровень промышленных шумов практических на всех частотах, значимых для работы нанотвердомеров, может в десятки и сотни раз превышать уровень природного сейсмошума. Значимость работы. Применительно к решаемой задаче разработки программно-аппаратных средств нейтрализации воздействия вибрационных помех на измерительное оборудование, в условиях промышленной эксплуатации микротвердомеров и наноиндентометров мы не можем повлиять на уровень виброизоляции промышленного оборудования и уровень внешнего виброшума в месте установки микротвердомеров и наноиндентометров. Спектр и величина данного воздействие подлежит измерению в месте установки прецизионного оборудования и последующему учету при проектировании и настройке системы виброизоляции измерительного оборудования. Область применения. Особо рассмотрения требует анализ возможности подавления вибрационного шума, генерируемого системой подвижек микротвердомеров и наноиндентометров. В приборах семейства НаноСкан используются классические линейные трансляторы с каретками на линейных подшипниках, электромагнитными шаговыми двигателями и шаровинтовыми передачами. Все эти механические элементы являются источниками внутреннего вибрационного шума и мешают проведению измерения твердости и модуля Юнга методом инструментального индентирования в нано диапазоне нагрузок и глубин индентирования. Основными задачами проводимого научного исследования являлись: 1) изучение возможности адаптивной настройки активной антивибрационной платформы с учетом локальной сейсмической обстановки, амплитудно-частотной характеристики и переходной характеристики наноиндентометра и 2) анализ потенциальных возможностей организации управления работой алгоритмов виброизоляции и систем компенсации внешних вибраций антивибрационной платформы с учетом паразитных сигналов, регистрируемых датчиком перемещения наноиндентометра. Для осуществления управления работой активной виброизолирующей платформой и актюаторами наноиндентометра необходимо специальное программное обеспечение, позволяющее с минимальными временными задержками анализировать входные и формировать выходные сигналы. При разработка программных средств нейтрализации воздействия вибрационных помех на измерительное оборудование в условиях промышленной эксплуатации микротвердомеров и наноиндентометров работа проводилась с использованием обычного персонального компьютера, работающего под управлением операционной системы Windows. Такой подход позволил с минимальной переделкой штатного программного обеспечения наноиндентометра и активной виброизолирующей платформы осуществить апробацию такого гибридного метода подавления влияния вибрационных помех на данные получаемые методом инструментального индентирования. Отдельным предметом исследования было изучение возможности корректировки управляющих сигналов электромагнитных актюаторов наноиндентометра с учетом данных получаемых с сейсмоприемников, входящих в состав активной антивибрационной платформы, а также учета данных об уровне остаточных вибраций на станине наноиндентометра при компьютерной обработке данных, получаемых при работе в различных режимах инструментального индентирования. Прогнозное предположение о развитии объекта. Одним из выводов проведенного исследования является заключение о возможности использования микротвердомеров с нагрузками индентирования больше 100 гр. при уровне внешнего вибрационного воздействия до 10 м/с2 при условии расположения микротвердомера на серийных виброизолирующих платформах пассивного типа с элементами отрицательной жесткости или активных виброизолирующих платформах с уровнем подавления вибраций в спектральной области, где сосредоточены основные вибрационные помехи не менее 40 дБ (100 раз). Вторым выводом проведенного исследования является заключение о недостаточности уровня виброизоляции, обеспечиваемого серийными виброизолирующими платформами, для осуществления корректного измерения твердости методом инструментального индентирования при нагрузках индентирования менее 1000 мН и глубинах индентирования менее 10 мкм, что существенно ограничивает возможности применения данного метода в промышленных условиях. Основным выводом проведенного исследования и предложением по модификации конструкции наноиндентометров, предназначенных для использования в условиях промышленного применения, где уровень вибрационного воздействия может достигать 10 м/с2, является рекомендация использовать данные со специального сейсмоприемника, размещенного на рабочей поверхности виброизолирующей платформы, при обработке получаемых при инструментальном индентировании данных и управлении актюаторами наноиндентометра. Данный сейсмоприёмник может входить в состав системы активной виброизоляции и в режиме реального времени передавать данные о мгновенном значении колебательного ускорения в систему управления наноиндентометром или интеграция сейсмодатчика в состав наноиндентометра, предназначенного для использования в условиях промышленного производства. Именно такая интеграция сейсмоприемника в состав наноиндентометра является наиболее эффективным решением задачи по разработке программно-аппаратных средств нейтрализации воздействия вибрационных помех на измерительное оборудование в условиях промышленной эксплуатации наноиндентометров. Такое решение можно считать наиболее целесообразным при разработке наноиндентометров, предназначенных для использования в условиях промышленного производства. В этом случаи при использовании пассивных виброизолирующих платформ с нижней резонансной частотой менее 1 Гц можно гарантировать измерение твердости и модуля Юнга при глубинах индентирования менее 1 мкм и усилиях индентирования менее 100 мН. Адаптивная настройка параметров активной виброизолирующей платформы с учетом спектрального состава внешнего сейсмошума и резонансных частотах наноиндентометра позволяет в зависимости от спектрального вида помех от полутора до трех раз понизить уровень остаточно виброшума в канале регистрации перемещений наноиндентометра, что позволяет существенно (до 50%) повысить точность измерения в условиях промышленного производства.