Автоматизация технологических режимов ультразвуковой обработки при производстве и ремонте автотракторной техники

При производстве и ремонте автотракторной техники сборочно-разборочные и моечно-очистные операции являются главным источником материального обеспечения производства, т.к. до 70% деталей разобранных автомобилей и их агрегатов может быть использовано повторно. Установлено, что затраты труда на разборочно-сборочных операциях составляют около 40% от общей трудоёмкости ремонта автомобиля. Причем на долю сборочно-разборочных работ приходится 12 — 17% трудовых затрат. Рациональная организация разборочных и моечно-очистных работ оказывает существенное влияние на качество и экономические показатели производства и ремонта техники.

Повышение уровня механизации и автоматизации работ, улучшение организации труда является в настоящее время одним из основных направлений работ на предприятиях по производству и ремонту автотракторной техники. Особое значение имеет автоматизация и механизация сборочных и разборочно-моечных операций, так как требует принципиально новых технических решений.

Особую сложность частности при ремонте автомобилей представляет разборка и качественная очистка прецизионных узлов топливной аппаратуры двигателей, требующих ремонта по ряду причин технологического или эксплуатационного характера. Существующие методы разборки подобных узлов зачастую вызывают повреждения прецизионных поверхностей и деформацию разбираемых деталей.

Одним из наиболее эффективных методов решения этой проблемы является ультразвуковой. Однако, несмотря на многочисленность исследований в области ультразвуковых жидкостных технологических процессов, наблюдается отсутствие обобщенных физико-математических моделей позволяющих описывать формирование эффективных технологических режимов. Они должны стать основой разработки гибко-управляемых технологических режимов обработки и создания системы автоматизированного выбора или проектирования технологии и оборудования для ультразвуковой разборки и очистки деталей, что и составляет актуальность исследований.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности и качества ультразвуковых технологических процессов при производстве и ремонте автотракторной техники.

Для достижения поставленной цели в диссертации последовательно в четырех главах решаются задачи:

• системный анализ методов и моделей технологических процессов ультразвуковой очистки деталей;

• классификация способов ультразвуковой обработки;

• исследование и аппроксимация зависимостей показателей качества ультразвуковых технологических процессов от их продолжительности и основных энергетических характеристик колебательных систем;

• разработка подсистемы автоматизации планирования экспериментов по оценке влияния параметров ультразвуковой обработки деталей;

• разработка базы данных по технологическим процессам ультразвуковой обработки;

• разработка программных компонентов интеграции с Mcd-приложениями.

При разработке формальных моделей компонент автоматизированной системы в диссертации использовались методы общей теории систем, классический теоретико-множественный аппарат, дифференциальные уравнения и др. Системный анализ проводился на реальных статистических данных, обработка которых проводилась с помощью современных методов анализа с привлечением математических и статистических пакетов.

Структура работы соответствует списку перечисленных задач, содержит описание разработанных методов, методик и алгоритмов.

В первой главе проведен анализ ультразвуковых технологий применительно к процессам обработки прецизионных узлов автотракторной техники в условиях основного и ремонтного производства. Здесь и далее под ультразвуковой обработкой подразумеваются как раздельные, так и совмещенные процессы разборки и очистки.

В диссертации проведена классификация способов очистки. В настоящее время автомобилестроение и, в особенности, авторемонтное производство располагают большим количеством методов и способов очистки. Наиболее простыми, давно применяющимися в ремонтном производстве методами очистки являются механические. Они используются в основном для очистки неответственных деталей или деталей, механическая обработка которых не представляет опасности с точки зрения нарушения их прочности или состояния рабочей поверхности. Применение для очистки деталей растворителей и специальных моющих средств, оказывающих физико-химическое воздействие на загрязнение, широко распространено на ремонтных предприятиях. Однако эти методы отличаются небольшой производительностью и не позволяют в полной мере удалять загрязнения типа нагаров и лаковых пленок. Показано, что большие перспективы имеет применение ультразвуковых колебаний для интенсификации процесса очистки деталей.

В диссертации показано, что повышение эффективности ультразвуковой обработки возможно при условии объединения информационно-аналитической подсистемы анализа ультразвуковых технологий с подсистемой автоматизированного мониторинга параметров технологических процессов ультразвуковой обработки деталей в единую автоматизированную систему управления технологическим процессом (АСУТП) ультразвуковой обработки.

АСУТП должна обеспечивать получение, сбор, хранение, поиск, передачу и обработку показателей технологического процесса, что может быть обеспечено с использованием методов регрессионного, дисперсионного и многомерного статистического анализа.

Во второй главе разработаны модели оценки влияния различных факторов на процессы ультразвуковой обработки деталей. Проведена серия испытаний, по которым в результате статистической обработки получены новые эмпирические зависимости.

На основе проведенного сравнительного анализ классических моделей отработана методика оценки эффективности моделей с использованием методов регрессионного, дисперсионного и факторного анализа. Это позволило в автоматизированном режиме проводить исследования по синтезу новых эмпирических зависимостей.

Система автоматизации планирования эксперимента основана на использовании компоненты интерфейсного взаимодействия с пакетом статистической обработки данных Statistica, с последующим включением программных приложений в сценарий интегрированной среды «СОТА» для разработки макета системы поддержки принятия решений по оптимизации параметров технологических процессов ультразвуковой обработки деталей автотракторной техники.

Проведенный в диссертации анализ процессов, протекающих при ультразвуковой разборке, показал, что принципиально разборка соединений соосных деталей может быть выполнена как при импульсной, так и при непрерывной передаче энергии колебаний. Оба рассмотренных способа ультразвуковой разборки позволяют эффективно разделять детали соединения в «щадящем режиме», без ухудшения состояния поверхности.

Для оценки временных показателей разборки в работе использовалось устройство для разборки распылителей форсунок, которое обеспечивает высокое качество очистки форсунок автотракторных двигателей.

Разработанных подход к автоматизации планирования эксперимента позволил объединить результаты экспериментов, проведенных автором, с результатами экспериментов, проведенными В. А. Елизаровым, что позволило получить более достоверные статистические оценки параметров регрессий по оценке времени разборки.

Ультразвуковая разборка как отдельный, самостоятельный процесс в технологии производства и ремонта машиностроительных изделий встречается редко. Предшествующие или последующие за ультразвуковой разборкой технологические операции, как правило, связаны с очисткой от загрязнений технологического и эксплуатационного характера.

В третьей главе решается задача проектирования гибридной среды моделирования процессов ультразвуковой обработки на основе интерфейсных приложений со средой MathCad.

В диссертации решена задача разработки концептуальной схемы базы данных, которая формируется в процессе проведения исследовательских экспериментов и выполнения работ по ремонту прецизионных деталей.

Разработаны ER-диаграммы основных компонентов технологического процесса. При построении реляционной схемы было принято во внимание, что реляционная схема должна максимально соответствовать исходной модели, иметь приемлемую производительность и приводить к меньшей степени процедурности в запросах.

На основе формализованного описания имитационных моделей технологических процессов ультразвуковой обработки разработана программная компонента их параметризации. Так, разработанное программное приложение автоматически определяет варьируемые параметры моделей, область значений каждого параметра, и, в соответствии с выбранным планом эксперимента, реализует параметризацию и активацию модели для сформированных комбинаций факторов с целью получения заложенного в нее критерия эффективности.

Использование приложения для исследования влияния факторов на имитационных моделях естественным образом расширяется до планирования эксперимента на аналитических моделях. Кроме того, за счет использования стандартных алгоритмов оптимизации, которые имеют программную поддержку, решается и проблема параметрической оптимизации.

В работе предлагается процедура частной оптимизации амплитуды смещения излучателя по двум натуральным характеристикам процесса разборки и очистки: производительностиудельной производительности потребляемой энергии. Для определения значений амплитуды смещения, обеспечивающих оптимальный режим озвучивания сразу по обоим показателям, используется критерий стоимости.

В четвертой главе приведено описание возможностей и технических характеристик разработанной установки, а также программных компонентов системы автоматизации ультразвуковой обработки.

Осуществляемые в МАДИ (ГТУ) на протяжении ряда лет исследования в области применения ультразвуковых колебаний при производстве и ремонте деталей автотракторной техники легли в основу ряда разработанных и внедренных ультразвуковых установок, которые отличаются друг от друга степенью автоматизации и количеством выполняемых технологических операций (см. табл. 1).

Расширение функционала установки предполагает включение процедур поисковой оптимизации, что позволяет помимо начальной идентификации состояния деталей, которая служит для установки начальных значений параметров технологического процесса, осуществлять оптимизацию параметров в ходе ультразвуковой обработки на основании съема показателей скорости, например, разборки и др.

Программное обеспечение системы мониторинга включает в низкоуровневый драйвер устройства L — 750 для MS Win 9х, в дальнейшем для работы с оцифрованным сигналом используется программа обработки сигналов SofTest SpectraLab, которая дает возможность обработки сигнала в реальном времени. Программное средство «МОНИТОР» получает значения от SpectraLab, производит конечную обработку данных и отображение (мониторинг) рабочих параметров системы.

В заключении представлены основные результаты работы.

В приложении приводятся акты внедрения результатов диссертационной работы.

Научную новизну работы составляют методы и модели ультразвуковой обработки деталей, направленные на автоматизацию технологических процессов при производстве и ремонте автотракторной техники.

На защиту выносятся:

• подсистема автоматизации планирования экспериментов по оценке влияния параметров ультразвуковой обработки деталей;

• множественные регрессионные модели продолжительности ультразвуковой разборки и очистки деталей;

• программные компоненты интерфейсного взаимодействия с пакетом аналитических исследований MathCad;

• постановка и решение задачи минимизации энергетических затрат при ультразвуковой очистке деталей;

• семантические модели базы данных технических и технологических характеристик процессов ультразвуковой обработки и результатов экспериментов.

Обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов определяется корректным использованием современных математических методов и моделей, предварительным статистическим анализом технологических процессов ультразвуковой обработки деталей, согласованностью результатов аналитических и имитационных моделей. Достоверность положений и выводов диссертации подтверждена положительными результатами внедрения результатов работы на ряде промышленных и эксплуатационных предприятий.

Автоматизированная система сбора, обработки и мониторинга параметров ультразвуковых технологических процессов позволяет выбирать оптимальные режимы обработки и осуществлять контроль качества обработки деталей. Результаты работы внедрены на ряде промышленных предприятий, а также используются на кафедре «Технологии конструкционных материалов» в МАДИ (ГТУ). Опытная эксплуатация разработанного математического, информационного и программного обеспечения подтвердила работоспособность и эффективность системы для решения поставленных задач.

Содержание отдельных разделов и диссертации в целом было доложено и получило одобрение:

• на Российских, межрегиональных и международных научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах (2005;2009 гг.);

• на совместном заседании кафедр «Технологии конструкционных материалов» и «Автоматизированные системы управления» МАДИ (ГТУ).

В диссертации наряду с результатами теоретических и экспериментальных исследований, рассматриваются подходы к моделированию ультразвуковых технологий и их оптимизации, что может быть обеспечено лишь за счет автоматизации технологических процессов ультразвуковой обработки деталей, использования существующего и разработки нового математического, информационного и программно обеспечений.

Совокупность научных положений, идей и практических результатов исследований в области автоматизации процесса ультразвуковой обработки составляет актуальное направление в области теоретических и практических методов автоматизации принятия решений и выбора режимов управления технологически процессами.

По результатам выполненных исследований опубликовано 11 печатных работ.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, опубликованных на 156 страницах машинописного текста, содержит 19 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 120 наименований и приложения.

Выводы по главе 4.

1. Разработана база данных процесса ультразвуковой очитки и разборки. Помимо манипуляции данными Microsoft SQL Server, Access позволяет также в качестве хранилища данных использовать Microsoft Data Engine (MSDE), что необходимо при проведении исследовательских работ, направленных на поиск новых зависимостей и робастных моделей описания технологических процессов ультразвуковой обработки.

2. Разработаны программные приложения моделирования процессов ультразвуковой обработки. Главной формой разработанной системы является форма «Навигация», из которой реализован переход к формам: «Задачи» для выбора технологического задания ультразвуковой разборки и очистки- «Оборудование» для выбора технических средств, используемых в технологическом процессе- «Расчеты» для проведения расчетов согласно выбранной модели технологического процесса- «Оптимизация» для определения целесообразности проведения технологического процесса ультразвуковой разборки и очистки. Для каждого приложения в диссертации сформированы функции и основные запросы для работы с базой данных.

3. Создан программно-моделирующий комплекс, который был внедрен на ОАО «Первый автокомбинат» им. Г. Л. Краузе, ЗАО научно-производственная внедренческая фирма «СВАРКА», ООО научно-производственная внедренческая фирма «Афалина», а также используется в учебном процессе в МАДИ (ГТУ). Внедрение результатов работы позволило вернуть в эксплуатацию до 70% ремонтного фонда прецизионных изделий, ранее выбраковывающихся по причине повреждений при разборке, а также повысить качество работ за счет использования рациональных режимов ультразвуковой обработки деталей.

Заключение

.

1. Проведен системный анализ методов и моделей технологических процессов ультразвуковой обработки деталей, который показал, что повышение качества проводимых операций возможно только с использованием АСУТП ультразвуковой обработки с учётом специфических особенностей применяемого оборудования, объектов обработки и энергетических параметров излучателя.

2. Выполнено исследование и получена аппроксимация зависимостей остаточных загрязнений от продолжительности очистки и амплитуды смещения излучателя. Полученные результаты дают возможность расчета значений параметров регрессии, а и к на основе методов Маркварта и Хартли.

3. Определена зависимость времени ультразвуковой очистки от масштабных факторов проведения технологического процессаПредложена математическая модель выбора ультразвукового оборудования и технологии очистки деталейразработан алгоритм задания режимов и параметрических характеристик процесса.

4. Решена задача проектирования системы баз данных, обеспечивающей хранение экспериментальных данных, характеристик оборудования, режимов обработки, информации о заказах по очистке прецизионных деталей, что позволяет в автоматизированном режиме принимать решения о выборе рациональных режимов ультразвуковой очистки.

5. Разработана методика выбора режимов технологических процессов ультразвуковой обработки за счет создания сценария, инструментальных средств интеграции с MathCad, что позволяет без перепрограммирования включать новые методы и модели анализа технологического процесса.

6. Изучен механизм ультразвуковой разборки, исследованы основные технологические характеристики процесса, который в основном связан с преобразованием сухого трения в квазивязкое и, тем самым, приводит к значительному снижению коэффициента трения между сопряженными поверхностями. Предложена методика совмещения процессов ультразвуковой разборки и очистки в одной технологической операции, что позволило минимизировать межоперационные потери времени.

7. Создан программно-моделирующий комплекс, который был внедрен на ОАО «Первый автокомбинат» им. Г. Л. Краузе, ЗАО научно-производственная внедренческая фирма «СВАРКА», ООО научно-производственная внедренческая фирма «Афалина», а также используется в учебном процессе в МАДИ (ГТУ). Внедрение результатов работы позволило вернуть в эксплуатацию до 70% ремонтного фонда прецизионных изделий, ранее выбраковывающихся по причине повреждений при разборке, а также повысить качество работ за счет использования рациональных режимов ультразвуковой обработки деталей.