Автоматизация технологического процесса селективной сборки электромагнитов на основе контроля магнитных свойств деталей

На правах рукописи

Нгуен Мань Кыонг

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СЕЛЕКТИВНОЙ СБОРКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ НА ОСНОВЕ КОНТРОЛЯ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ

Специальность: 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новочеркасск – 2010

Работа выполнена на кафедре «Информационные и измерительные системы и технологии» ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Горбатенко Николай Иванович
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Булгаков Алексей Григорьевич доктор технических наук, профессор Гайдук Анатолий Романович
Ведущая организация:	ГОУ ВПО «Донской государственный технический университет», г. Ростов на Дону

Защита диссертации состоится 19 октября 2010 г. в 1000 ч. на заседании
диссертационного совета Д 212.304.02 при ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» в
аудитории № 107 главного корпуса по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской обл., ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)». С текстом автореферата можно ознакомиться на сайте ЮРГТУ (НПИ) www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан « 17 » сентября 2010 г.

Ученый секретарь совета,

профессор, кандидат технических наук А.Н. Иванченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Расширение областей применения и функциональных возможностей современных электротехнических систем связано с требованием оптимального использования свойств применяемых материалов, повышения качества элементов и систем в целом. Выполнение этих условий связано с необходимостью совершенствования как конструкции, так и технологии производства систем. Исключительная роль технологии объясняется сильной зависимостью параметров элементов от состава материала, его свойств и видов обработки. К таким элементам электротехнических систем, безусловно, относятся электромагниты. Обеспечение соответствия электромагнитов техническим условиям во многом зависит от организации самого процесса производства, гарантирующего устойчивое качество и его непрерывное улучшение. Важным является не только соответствие требованиям отдельной партии электромагнитов, но и стабильность их качества в долгосрочной перспективе, уменьшение потерь, связанных с несовершенством технологии производства. Решить эти задачи позволяет автоматизированная селективная сборка изделий. Анализ работ в этом направлении показывает, что наиболее перспективным является применением адаптивного подхода, позволяющего выполнять корректировку параметров процесса изготовления деталей.

Практически все характеристики электромагнитов в значительной степени определяются магнитными свойствами комплектующих деталей. Следовательно, перспективным направлением повышения качества электромагнитов является автоматизированная селективная сборка, обеспечивающая оптимальное использование магнитных свойств каждой детали. В настоящее время не разработаны теоретические основы и технические средства автоматизации селективной сборки, основными этапами которой являются активный технологический контроль магнитных свойств всех деталей и оптимальный подбор их комплектов для повышения выхода годных изделий при обеспечении их заданных эксплуатационных характеристик. В этой связи становится актуальным реше­ние задачи раз­работки метода и реализующей его подсистемы управления технологическим процессом автоматизированной селективной сборки электромагнитов на основе контроля магнитных свойств деталей в условиях серийного производства.

Работа выполнена в соответствии с приоритетным направлением развития науки, технологий и техники РФ «Информационно-телекоммуникационные технологии и элек­троника» (утверждено указом Президента РФ от 30.03.02 г.); научным направле­нием Южно-Российского государственного технического университета (НПИ) «Теория и прин­ципы построения информационно-измерительных систем и систем управления» (утвер­жденно решением ученого совета университета от 25.01.03 г. и переутвержден­о 1.03.06 г.); договором о сотрудничестве в области образования, науки и техники между ЮРГТУ (НПИ) и Техническим университе­том Ильменау (ФРГ) от 14.12.2001 г.

Цель работы. Автоматизация технологического процесса селективной сборки электромагнитов, обеспечивающая повышение выхода годных изделий путем контроля, классификации и оптимального подбора деталей по магнитным свойствам.

Для достиже­ния по­ставленной цели в рамках диссертационной работы необходимо решить следующие основ­ные задачи:

• разработать метод автоматизированной селективной сборки электромагнитов, позволяющий повысить выход годных изделий;
• разработать метод, позволяющий уменьшить объем информации необходимой для формирования групп допуска селективной сборки;
• разработать алгоритм автоматизированной селективной сборки электромагнитов, позволяющий реализовать метод сборки электромагнитов по магнитным свойствам деталей;
• разработать математическую модель стационарного магнитного поля, позволяющую с высоким быстродействием и точностью рассчитывать параметры магнитного поля при реализации натурно-модельного метода определения магнитных характеристик деталей;
• создать подсистему управления технологическим процессом автоматизированной селективной сборки электромагнитов, обеспечивающую получение достоверной измерительной информации о магнитных свойствах комплектующих деталей, их классификацию и автоматический подбор для автоматизации сборки и получения максимально возможного выхода годных изделий.

Методы исследований: методы теории электромагнитного поля, электрических и магнитных цепей, автоматического управления, математи­че­ской статистики, теории измерений, численные методы решения систем нелинейных дифференциальных уравнений, математического модели­рования с использованием пакетов прикладных программ Maxwell, FEMM, LabView, MathCAD, Micro-Cap.

Научная новизна работы.

1. Разработан метод автоматизированной селективной сборки, отличающийся от известных тем, что основан на учете зависимости тягового усилия от магнитных свойств деталей электромагнита, полученной путем моделирования состояния электромагнита в рабочих условиях его эксплуатации.

2. Разработан метод описания семейства магнитных характеристик отличающийся от известных тем, что основан на использовании метода главных компонент и позволяющий значительно сократить объем информации, необходимой для формирования групп допуска селективной сборки.

3. Разработан алгоритм автоматизации селективной сборки электромагнитов, отличающийся от известных тем, что впервые в качестве величин влияния использовались магнитные характеристики материала деталей электромагнита и позволяющий реализовать метод сборки на основе моделирования тяговых характеристик.

4. Разработана комбинированная математическая модель магнитного поля на основе дифференциальных уравнений с частными производными, отличающаяся тем, что при построении модели используются результаты измерения магнитного потока по границе исследуемой области. Применение модели позволяет с высоким быстродействием и точностью вычислять параметры магнитного поля методом конечных элементов.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтвержда­ются корректностью допущений, принимаемых при математическом моделировании и при раз­работке метода селективной сборки, использованием метрологически аттестованного оборудова­ния при проведении испытаний разработанных устройства, согласованием теоретиче­ских положе­ний с результатами экспериментальных исследований и критическим об­суждением ос­новных результатов работы с ведущими специалистами в области теории автоматического управле­ния технологическими процессами на международных научных конференциях.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Разработана подсистема управления технологическим процессом, обеспечивающая контроль магнитных свойств, классификацию деталей по их уровню и оптимальный подбор комплектов деталей для селективной сборки электромагнитов.

Разработан программный комплекс на основе технологии LabView, позволяющий создать интегрированную среду для получения и обработки данных о магнитном состоянии испытуемых деталей, моделирования тяговых характеристик электромагнитов, а также управления работой средств автоматизации селективной сборки.

Разработанная модель магнитного поля на основе дифференциальных уравнений с частными производными позволяет реализовать натурно-модельный метод определения магнитных характеристик материала деталей с высокой точностью и быстродействием в подсистеме управления технологическим процессом автоматизированной селективной сборки электромагнитов.

Результаты работы используются (получен ряд актов внедрений) в научно-исследовательской и производственной деятельности ЗАО «ИРИС» (г. Новочеркасск), НИИ «Электромеханика» ЮРГТУ (НПИ), в учебном процессе ЮРГТУ (НПИ).

Основные положения, выносимые на защиту:

– метод автоматизированной селективной сборки электромагнитов, основанный на учете зависимости тягового усилия от магнитных свойств комплектующих деталей;

– метод описания семейства магнитных характеристик на основе метода главных компонент;

– алгоритм автоматизированной селективной сборки электромагнитов на основе моделирования их тяговых характеристик;

– комбинированная модель магнитного поля на основе дифференциальных уравнений с частными производными и экспериментальных данных для реализации натурно-модельного метода определения магнитных характеристик материала деталей;

– структуры, алгоритмы, конструктивные и схемотехнические решения подсистемы управления технологическим процессом автоматизированной селективной сборки электромагнитов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

– VII Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments», г. Москва, 28-29 ноября 2008 г.;

– 53 Международном научном коллоквиуме, г. Ильменау (ФРГ), 8-12 сентября 2008 г.;

– Международном научно-практическом коллоквиуме «Мехатроника – 2009», ЮРГТУ(НПИ), г. Новочеркасск, 10-11 июня 2009 г.;

– XVII Международной конференции по посто­ян­ным магнитам, Суз­даль, 21-25 сентября 2009 г.

– научных семинарах кафедры «Информационные и измерительные системы и технологии» ЮРГТУ (НПИ).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК, 1 свидетельство о регистрации программного про­дукта.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, за­ключения, списка литературы и приложений. Общий объем ра­боты 169 страниц, включая 3 страницы приложений, 84 рисунка, 10 таблиц, список литературы из 102 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, изложены цели и задачи диссертаци­онной работы, научная новизна и практическая ценность.

В первой главе «Обоснование целесообразности селективной сборки электромагнитов с учетом магнитных свойств их деталей» рассмотрены особенности технологического процесса изготовления электромагнитов. Показано, что минимизация энергопотребления, миниатюризация значительно повысили требования к их техническим характеристикам и качеству изготовления. Во многом они определяются технологическим процессом изготовления деталей и изделия в целом. В производственных условиях невозможно обеспечить идеальность технологического процесса, это приводит к тому, что воздействия операций при обработке деталей носят случайный характер, вследствие чего характеристики и параметры получаемых в результате готовых изделий имеют разброс. Вероятностный характер воздействия технологических операций обусловлен их разнообразием и сложностью, нелинейной зависимостью свойств ферромагнитных деталей от многих факторов, а так же невозможностью обеспечить абсолютную детерминированность технологических операций, определяемых векторами управляющих воздействий. Кроме того, опыт массового производства показывает, что несмотря на стремление производителя обеспечить идентичность свойств сырья, магнитные свойства используемых ферромагнитных материалов имеют существенный разброс даже в пределах одной партии.

Важную роль в повышении качества изделий играет селективная сборка, когда точность изготовления деталей заменяется точностью при сортировке. Повышение точности контроля требует, как правило, значительно меньших затрат по сравнению с повышением точности технологического процесса.

Анализ электромагнитов как объекта исследований показал, что составляющие его детали имеют существенно нелинейные характеристики. Несмотря на относительную простоту конструкций, свойства электромагнитов зависят от многих факторов. Это значительно осложняет исследование электромагнитов. Поэтому применение удельных показателей не оправдано в качестве контролируемых параметров для селективной сборки электромагнитов. Наиболее адекватно в статическом режиме работы их можно оценить с помощью тяговой характеристики – зависимости электромагнитной силы F от положения якоря или рабочего зазора для различных постоянных значений тока I в обмотке . С целью изучения возможности автоматизации селективной сборки электромагнитов путем сортировки деталей по магнитным свойствам проводились экспериментальные исследования тяговой характеристики пропорционального электромагнита втяжного типа. Эксперименты выполнялись с помощью автоматизированной установки для измерения тяговых характеристик фирмы Zwick Roell, представленной фирмой Steinbeis-Transfezentrum Mechatronik г. Ильменау (ФРГ). Использовались якоря и направляющей втулки, сделанные из разных инструментальных и конструкционных сталей. Усредненные тяговые характеристики, полученные для четырех разных комбинаций деталей, показаны на рис. 1, где материал якоря: 1 – 9SMnPb28; 2 – X45NiCrMo4; 3 – 16MnCr5; 4 – 90MnV8, материал втулки 9SMnPb28, материал корпуса – отоженная конструкционная сталь. Проведенные исследования показали, что магнитные характеристики материала деталей оказывают значительное влияние на тяговые характеристики электромагнита.

Создание эффективных систем управления качеством электромагнитов сдерживается тем, что известные методы селективной сборки не используют в качестве величин влияния наиболее информативные характеристики – магнитные характеристики материала деталей. Перспективным направлением решения данной проблемы является создание подсистемы управления технологическим процессом автоматизированной селективной сборки, обеспечивающей получение необходимой измерительной информации о магнитных свойствах деталей, разделение их на группы и оптимальный подбор комплектов. Учитывая это, были опреде­лены задачи, подлежащие решению в данной работе.

Во второй главе «Разработка метода и алгоритма технологического процесса автоматизированной селективной сборки электромагнитов» разработан метод автоматизированной селективной сборки, основанный на учете зависимости тягового усилия от магнитных свойств деталей электромагнита, полученной путем моделирования состояния электромагнита в рабочих условиях его эксплуатации.

Для автоматизации серийного производства предлагается использовать адаптив­но-селективную сборку (АСС), теоретические основы которой разработаны в техническом университете г. Ильменау (ФРГ) профессором К.П. Цохером. Суть предложенного метода поясняет рис. 2, где – вероятностное распределение величин влияния (магнитных характеристик) изготовлен­ных деталей; – приемлемые границы групп допусков; – тяговое усилие (признак качества), – допустимое отклонение тягового усилия.

АСС технология включает в себя селективный компонент, на принципах которого построена система определения и оптимизации границ групп допусков, и адаптивный компонент, реализующий корректировку параметров процесса изготовления деталей, соответствующую изменению его состояния с течением времени. Изменение во времени параметров технологического процесса изготовления деталей ведет к изменению характера вероятностного распределения действительных значений величин влияния, что происходит вследствие изменения характеристик процесса
изготовления – математического ожидания и среднеквадратического отклонения .

В основу модели допуска деталей для сборки предлагается функциональная взаимосвязь тягового усилия F от магнитных свойств деталей электромагнита:

,

где , q – количество электромагнитов; , n – количество деталей.

Допустимое отклонение тягового усилия Fk k-го электромагнита при реализации АСС оценивается неравенством

,

где – относительный допуск магнитной характеристики i-ой детали Xi, , – абсолютный допуск магнитной характеристики Xi; – весовой коэффициент первого порядка, ; – весовой коэффициент второго порядка, .