АВТОМАТИЗАЦИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВА ФАНЕРЫ АКУСТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ В ПРОЦЕССЕ ПРОИЗВОДСТВА

 

Саликова Е.В., Чулков В.П. (КГТУ, г. Кострома, РФ)

 

The questions of plywood culling with application of free oscillations method are examined in the article. The carried out experiments have shown that the offered method is sufficiently informative. The artificial neuron webs technique was applied for the graphs analysis. It testifies that on the basis of the given technique it is possible practically to use the automized installation for plywood quality definition at early stages of manufacture.

 

При производстве фанеры возможно появление в ней внутренних дефектов (пузырей и вздутий), наличие которых в готовой продукции является недопустимым. Причины образования внутренних дефектов  обусловлены, в основном, нарушениями технологического процесса производства фанеры и нестабильностью качества исходного сырья.

На отечественных предприятиях, на фоне применения современных средств автоматизации на большинстве участков производства фанеры, контроль качества готовой продукции осуществляется вручную на заключительной стадии производства. Ручной метод выявления внутренних дефектов заключается в простукивании листов и определении наличия брака «на слух». Такой метод достаточно эффективен, но имеет ряд принципиальных недостатков, а именно: он не позволяет локализовать вид и размер дефекта; оценка качества фанеры  субъективна, зависит от квалификации работника; работа контролера физически тяжелая и монотонная.

Наибольшими возможностями из всех методов неразрушающего контроля обладают акустические методы, которые имеют высокую чувствительность, надежны, просты в применении, имеют высокую производительность.

Наиболее распространенным методом автоматизированного неразрушающего контроля материалов и изделий является ультразвуковой. Этот метод успешно используется для контроля фанеры на зарубежных предприятиях и ряде отечественных [2]. Метод достаточно точен, технологичен, позволяет автоматизировать процесс определения качества фанеры. Результаты измерений можно использовать как для селективной сортировки фанеры, так и для автоматизированной корректировки технологических процессов изготовления фанеры. Однако ультразвуковой метод также имеет существенные недостатки, а именно: для контроля данным методом требуются достаточно стабильные внешние условия (температура, качество поверхности фанеры, отсутствие конвекционных воздушных потоков и т.д.), что усложняет конструкцию измерительной установки; реализация метода сравнительно дорога.

После анализа существующих в настоящее время методов неразрушающего контроля, было решено взять за основу метод возбуждения свободных колебаний [1]. При выборе метода для определения качества фанеры учитывали то, что фанера является крупногабаритным изделием и может иметь дефекты значительных размеров; учитывались  технико-экономические показатели метода неразрушающего контроля, такие как: чувствительность, разрешающая способность, достоверность результатов контроля, надежность аппаратуры, простота аппаратуры и возможность обеспечения ею, простота технологии контроля, производительность. 

Метод свободных колебаний по сравнению с другими методами неразрушающего контроля  проще, результаты контроля достаточно объективны, имеет достаточную производительность и низкую трудоемкость работ при контроле, недорогую применяемую аппаратуру. Таким образом, метод свободных колебаний является предпочтительнее других.

Сущность метода свободных колебаний заключается в следующем. Если твердое тело возбудить резким ударом, то в нем возникнут свободные затухающие колебания. При наличии дефекта параметры колебательной системы меняются, что ведет к изменению амплитуды, частоты собственных колебаний и логарифмического декремента их затухания.

Техническая реализация метода свободных колебаний проще. Система контроля может быть более мобильной, что делает возможным ее установку и после заключительного этапа производства и непосредственно после прессования. В последнем случае брак определяется на ранней стадии производства, что позволит исключить бракованные листы из дальнейшей обработки и получить, таким образом, дополнительный экономический эффект.

Для проведения экспериментов была создана установка, включающая в себя координатное устройство, ударный механизм, пьезодатчик. Управление работой установки и обработка результатов экспериментов осуществляется персональным компьютером.

Для определения частоты колебаний листа фанеры пользовались уравнениями теории тонких пластинок, применимыми и для плит при условии, что отношение толщины плиты к наименьшему из других ее размеров будет 1/10 - 1/5 и малости прогиба по отношению к толщине[5].

Дифференциальное уравнение колеблющейся тонкой плиты будет

,                                      (1)

где ω(x, y, t) - отклонение точки (x, y) от положения равновесия;

q = ρh - масса плиты, отнесенная к единице поверхности;

F (x, y, t) - интенсивность внешней нагрузки;

D  - цилиндрическая жесткость пластинки.

Проведя преобразования, получим формулу для определения частоты собственных колебаний опертой плиты

,                                                                              (2)

где  ;  a и b - геометрические размеры пластины;

m - число узловых линий по оси x;

n - число узловых линий по оси y.

Изменяя значения m и n, увидим, что пластинку можно разделить узловыми линиями на отдельные части. Экспериментально установлено, что колебания, возбуждаемые в листе фанеры без дефекта, соответствуют m=4 и n=4 (наиболее выраженная гармоника колебаний).

Для анализа графиков применялась технология искусственных нейронных сетей. В данном случае искусственная нейронная сеть выступает в качестве распознающего устройства, которое в зависимости от характера затухающих колебаний, возникающих в листе фанеры, определяет его, как: без дефекта или имеющий дефект. Применение искусственных нейронных сетей обусловлено тем, что колебания, возникающие в фанере, являющейся анизотропным материалом, имеют очень сложную форму, и это значительно усложняло использование других методов обработки результатов измерений. 

Экспериментально было определено, что колебания, характерные для фанеры без брака отличаются большим размахом и меньшим декрементом затухания. Эти параметры и были взяты в качестве ключевых признаков для различения типов колебаний [4].

На предварительно подготовленной выборке была обучена искусственная нейронная сеть, представляющая собой многослойный персептрон, обучающийся по принципу обратного распространения ошибки. После обучения искусственная нейронная сеть оказалась способна правильно распознавать все представленные графики колебаний с заданной погрешностью 10%. Тестирование обученной искусственной сети на новых графиках, не вошедших в обучающую выборку, подтвердило факт правильного распознавания образцов фанеры без дефекта или имеющих дефект.

Результаты обработки графиков свободных колебаний позволяют сделать вывод о том, что искусственная нейронная сеть достоверно распознает листы фанеры с браком. Это свидетельствует о том, что на основе данной технологии можно практически реализовать автоматизированную установку для определения качества фанеры на ранних стадиях производства.

 

Литература

1.   Глаговский Б.А., Московенко И.Б. Низкочастотные акустические методы контроля в машиностроении, - Л., Машиностроение, 1977.

2.   Голубов И.А. Методы неразрушающего контроля древесных плит. – М.: «Лесн. пром-сть». 1982.

3.   Саликова Е.В., Староверов Б.А., Чулков В.П. Автоматизированная разбраковка фанеры методом звуковой диагностики./ Вестник Костромского государственного технологического университета №7, 2003.

4.   Саликова Е.В., Изотов В.А., Чулков В.П.   Определение качества фанеры методом свободных колебаний. / Журнал «Лиственница». Сборник научных трудов, №2, СибГТУ, Красноярск, 2003г.

5.   Филиппов А.П. Колебания деформируемых систем. М., Машиностроение, 1970.