Автоматизация технологического процесса селективной сборки электромагнитов на основе контроля магнитных свойств деталей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Нгуен Мань Кыонг

• Нгуен Мань Кыонг
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Нгуен Мань Кыонг

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ СЕЛЕКТИВНОЙ СБОРКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ С УЧЕТОМ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ИХ ДЕТАЛЕЙ.

1.1. Особенности технологического процесса изготовления электромагнитов.

1.2. Особенности электромагнитов как объектов исследований.

1.3. Исследования влияния магнитных свойств деталей на тяговые характеристики электромагнитов.

1.4. Постановка задачи исследования.

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА И АЛГОРИТМА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СЕЛЕКТИВНОЙ СБОРКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ.

2.1. Разработка метода автоматизированной селективной сборки на основе моделирования тяговой характеристики электромагнита.

2.2. Моделирование тяговой характеристики электромагнита.

2.2.1. Обзор методов моделирования тяговой характеристики электромагнита.

2.2.2. Математическая модель тяговой характеристики для метода автоматизированной селективной сборки электромагнитов.

2.2.3. Экспериментальные исследования математической модели тяговой характеристики электромагнита.

2.3. Описание семейства магнитных характеристик с помощью метода главных компонент.

2.4. Алгоритм автоматизированной селективной сборки электромагнитов.

2.5. Выводы по главе 2.

3. МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ ДЛЯ ПОДСИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМ АТИЗИРОВАННОЙ

СЕЛЕКТИВНОЙ СБОРКОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ.

3.1. Анализ методов определения статических магнитных характеристик деталей электромагнитов.

3.2. Натурно-модельный метод определения статических магнитных характеристик деталей электромагнитов.

3.3. Разработка модели магнитного поля магнитной системы для подсистемы управления автоматизированной селективной сборкой.95 3.3.1. Анализ методов моделирования и расчета магнитных полей

3.3.2. Комбинированная математическая модель магнитного поля магнитной системы для подсистемы управления автоматизированной селективной сборкой.

3.3.3. Экспериментальные исследования комбинированной математической модели.

3.4. Выводы по главе 3.

4. ПОДСИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СЕЛЕКТИВНОЙ СБОРКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ.

4.1. Структурная схема и алгоритм функционирования подсистемы управления технологическим процессом автоматизированной селективной сборки электромагнитов.

4.2. Программное обеспечение подсистемы управления технологическим процессом автоматизированной селективной сборки электромагнитов.

4.3. Выбор типа цифрового фильтра для фильтрации помех измерительных сигналов устройства контроля.

4.4. Результаты метрологических испытаний экспериментального образца подсистемы управления технологическим процессом автоматизированной селективной сборки электромагнитов.

4.5. Результаты внедрения экспериментального образца подсистемы управления технологическим процессом автоматизированной селективной сборки электромагнитов.

4.6. Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизация технологического процесса селективной сборки электромагнитов на основе контроля магнитных свойств деталей»

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

1 ' " 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 Иль-менау (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 Lab View, 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 Lab VIEW 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 (НИИ).

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.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Нгуен Мань Кыонг

Основные результаты, полученные в настоящей работе, могут быть сформулированы следующим образом.

1. Автоматизация селективной сборки с учетом магнитных свойств комплектующих деталей является эффективным направлением обеспечения заданной тяговой характеристики электромагнитов и повышения выхода годных изделий.

2. Разработан новый 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.

3. Предложено для описания наиболее информативных характеристик -семейства основных кривых намагничивания материала использовать метод главных компонент, позволяющий существенно уменьшить размерность измерительной информации о магнитных свойствах комплектующих деталей, что значительно упрощает их классификацию для последующей автоматизированной сборки.

4. Разработан алгоритм автоматизированной селективной сборки электромагнитов, позволяющий реализовать метод сборки на основе моделирования тяговых характеристик. Анализ полученных результатов показал, что применение селективной сборки позволяет существенно увеличить выход годных изделий (на 30 % при разбросе магнитных свойств деталей до ± 20 %).

5. Обосновано применение метода натурно-модельных испытаний для определения магнитных характеристик комплектующих деталей, что позволило с заданной погрешностью измерять основную кривую намагничивания материала в неполностью замкнутой магнитной цепи, необходимой для ав-томатизац процесса установки деталей в измерительную позицию.

6. Разработана комбинированная математическая модель магнитного поля на основе дифференциальных уравнений с частными производными, результатов измерения магнитного потока по границе исследуемой области и расчета характеристик магнитного поля. Применение модели позволяет с высоким быстродействием и точностью вычислять параметры магнитного поля методом конечных элементов.

7. Разработана подсистема управления технологическим процессом автоматизированной селективной сборки электромагнитов, реализующая определение основной кривой намагничивания материала комплектующих изделий, их классификацию по уровням магнитных свойств и оптимальный подбор, обеспечивающий максимально возможный выход годных изделий. Случайная погрешность измерения магнитных параметров при доверительной вероятности 0,95 не превышает ±3 %. Производительность - не менее 100 деталей в час.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Нгуен Мань Кыонг, 2010 год

1. Вальков, В. М. Автоматизированные системы управления технологическими процессами / В. М. Вальков, В. Е. Вершин. JI.: Политехника, 1991.-269 с.

2. Пжилуский, А. А. Быстродействующие устройства контроля магнитных свойств постоянных магнитов для систем управления процессом их изготовления: дисс. канд. техн. наук. Новочеркасск. - 2004. — 216 с.

3. Горбатенко, Н. И. Натурно-модельные испытания изделий из ферромагнитных материалов / Н. И. Горбатенко. Ростов н/Д: СКНЦ ВШ, 2001. -392 с.

4. Ланкин, М. В. Устройства контроля и прогнозирования магнитных свойств для систем управления технологическим процессом производства постоянных магнитов: автореф. дисс. канд. техн. наук. Новочеркасск. -1990.- 16 с.

5. Гречихин, В. В. Устройства активного контроля магнитных характеристик для систем управления производством изделий из ферромагнитных материалов: автореф. дисс. канд. техн. наук. Новочеркасск. - 2000. - 16 с.

6. Наракидзе, Н. Д. Адаптивные быстродействующие устройства контроля магнитных параметров изделий для систем управления их производством: дисс. канд. техн. наук. Новочеркасск. - 2009. - 201 с.

7. Маталин, А. А. Технология машиностроения / А. А. Маталин. -СПб.: Лань, 2008. 512 с.

8. Гордон, А. В. Электромагниты постоянного тока / А. В. Гордон, А. В. Сливинская. М.: Госэнергоиздат, 1960. - 447 с.

9. Компания «МАГНИТЕК» Электронный ресурс. / Электрон, дан. -Новосибирск: 2007. Режим доступа: www.magnitek.ru.

10. ЗАО «ЧЭАЗ» Электронный ресурс. / Электрон, дан. Чебоксары: 2002. - Режим доступа: www.cheaz.ru.

11. Magnet-Schultz GmbH Электронный ресурс. / Электрон, дан.

12. Memmingen. — 2009. Режим доступа: www.magnet-schultz.com.1

13. Brauer, J. R. Magnetic Actuators and Sensors / J. R. Brauer. Hobo-ken: John Wiley & Sons, 2006. - 308 p.

14. Никитенко, Ю. А. Электромагнитные механизмы. Анализ и синтез / Ю. А. Никитенко и др.. М.: Высш. шк., 1998. - 330 с.

15. Kallenbach, Е. Electromagnete / Kallenbach, Е etc.. Stuttgard: Tanbner, 2003. - 376 s.

16. Bishop, R. H. Mechatronic Systems, Sensors, and Actuators: Fundamentals and Modeling / R. H. Bishop. NW.: CRC Press, 2008. - 656 p.

17. Валетов, В. А. Технология приборостроения / В. А. Валетов и др..- СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. 336 с.

18. Бонч-Осмоловский, М. А. Селективная сборка / М. А. Бонч-Осмоловский. — М.: Машиностроение, 1974. 144 с.

19. Буловский, П. И. Автоматизация селективной сборки приборов / П. И. Буловский, П. И. Крылов, В. А. Лапухин. JL: Машиностроение, 1978. -232 с.

20. Федотова, А. И., Гибкие производственные системы сборки / А. И. Федотова. Л.: Машиностроение, 1989. - 349 с.

21. Pugh, G. A. Partitioning for selective assembly / G. A. Pugh. Computers and Industrial Engineering. - 1986. - Vol.11. - P. 175-179.

22. Kwon, H. An Economic Selective Assembly Procedure for Two Mating Components with Equal Variance / H. Kwon, K. Kim, M. Chandra. Naval Research Logistics. - 1999. -Vol. 46. - P. 809-821.

23. Zocher, K. P. CAQ und CIM Adaptive und selektive Montage in der flexiblen, automatisierten Fertigung / К. P. Zocher. - Ilmenau. - 1989. - S. 1 Ollis.

24. Горбатенко, H. И. Измерения магнитных величин в микроэлектромеханических системах / Н. И. Горбатенко, В. В. Гречихин, Н. М. Кыонг и др. // Междунар. науч. коллоквиум. Ильменау, 2008. - С. 215-216.

25. Гришин, А. С. Применение метода главных компонент при селективном монтаже электромагнитов / А. С. Гришин // Изв. вузов. Электромеханика. 2002. - № 4. - С. 81-84.

26. Кесоян, А. Г. Исследование влияния погрешности измерения деталей на собираемость прецизионных соединений / А. Г. Кесоян, А. Г. Рабинович, А. Г. Кобзев // Изв. Волгоградского гос. техн. ун-та. 2009. - т. 8. - №5. - С. 92-98.

27. Дунин-Барковский, И. В. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения / И. В. Дунин-Барковский. М.: изд. станд., 1987. -352 с.

28. Пеккер, И. И. Физическое моделирование электромагнитных механизмов / И. В. Пеккер. М.: Энергия, 1969. - 65 с.

29. Никитенко, А. Г. Расчет электромагнитных механизмов на вычислительных машинах / А. Г. Никитенко, И. И. Пеккер. М.: Энергоатомиздат, 1985.-214 с.

30. Никитенко, А. Г. Сравнение методов расчета электромагнитов систем магнитного подвеса ВСНТ / А. Г. Никитенко, А. Г. Бахвалов, А. Г. Гринченков // Высокоскоростной наземный транспорт: сб. статей. — Новочеркасск, 1974. С. 84-90.

31. Павленко, А. В. Обобщенная математическая модель для расчетанестационарных магнитных полей и динамических характеристик электро