К компетенциям - через инноватику

Подождите немного. Документ загружается.

А. А. Лужбина, студентка;

научный руководитель – канд. техн. наук, доц. Ю. Р. Никитин

Ижевский государственный технический университет

Автоматизация производства ступиц водяного насоса

Автоматизация – это высший этап развития современного произ-

водства. Значение автоматизации неизмеримо возрастает в условиях

кризиса. Создание конкурентоспособной продукции, пользующейся

спросом на рынке, неизбежно связано с интенсификацией технологи-

ческих процессов, с разработкой специального оборудования, осна-

щенного системами управления на базе современных ЭВМ.

Автоматизированное производство позволяет улучшить качество

и снизить себестоимость изготовляемой продукции, улучшить усло-

вия труда работников, но ни в коем случае не заменяет этот труд. По-

требитель лучше купит товар европейского производителя, потому

что, во-первых, стоимость многих европейских товаров ниже, чем

отечественных, во-вторых, встает вопрос о качестве товаров. А ответ

прост: нужна полная автоматизация производств. От этого и должен

отталкиваться бережливый собственник и ответственный исполни-

тель, который хочет увидеть отдачу от вложенных средств и рассчи-

тывает получить эффективное решение задач своего предприятия.

В качестве первого шага нужно создать план по автоматизации и сле-

довать этому плану постепенно, каждый раз корректируя возможные

недостатки и оценивая результаты.

После разработки стратегии и определения целей следующим ша-

гом на пути к автоматизации является формулирование задачи – на-

ладить все фазы производственной деятельности (с тем чтобы понять,

какие из них подлежат автоматизации), упорядочить и прописать

производственные процессы (это очень важно, поскольку когда на

предприятие приходит внедренческая компания, чаще всего происхо-

дит оптимизация уже существующих станков и приспособлений).

Обычно для изучения и упорядочения производственных процессов

предприятия приглашают внешних консультантов из специализирован-

ных агентств и компаний (разумеется, данный процесс не обходится без

участия самих специалистов предприятия). Все действия подтверждают-

ся документально. Это является естественным и необходимым элемен-

том организации работы перед автоматизацией, позволяющим не только

оптимизировать текущую деятельность, но и сделать процесс менее за-

висимым от конкретных людей. Организация на предприятии научно-

технических конференций становится необходимым элементом для раз-

вития плана по автоматизации, ведь нередко на таких мероприятиях оз-

вучиваются очень интересные идеи. Сотрудничество с университетами

и институтами также необходимо, так как некоторые идеи студентов

в умелых руках специалистов дают плодотворные результаты. В процес-

се постоянного общения всех заинтересованных лиц в автоматизации на

производстве появляется возможность обмена знаниями и опытом, ос-

новываясь на которых строится дальнейшая работа.

Работа по автоматизации производства начинается с анализа воз-

никшей проблемы, методов и средств ее решения. Далее необходимо

официальное согласование с руководством, после которого, конечно же,

будет необходима корректировка исходя из финансовых возможностей

предприятия, наличия специалистов соответствующей квалификации

и многих других факторов. После корректировки, возможно, еще раз

станет необходимым анализ проблемы, другими словами, анализ целе-

сообразности решения поставленной задачи. Далее все дела по данному

этапу автоматизации переходят к управлениям, непосредственно связан-

ным с автоматизацией, таким как САПР, АСУ ТП, подготовки произ-

водства, технического оснащения и другим. Когда специалистами будет

принято обоснованное решение, становится возможным переход к непо-

средственному исполнению и контролю за исполнением.

Далее предстоит ответить на вопрос, как конкретно надо автомати-

зировать и «документировать» данный этап. Основными документами

в этом случае являются техническое задание и календарный план. Су-

ществует еще один аспект: взаимообучение, т. е. над конкретным про-

ектом должна работать целая группа: кто-то консультирует по вопро-

сам программного обеспечения, информационным технологиям, кто-то

объясняет специфику деятельности предприятия и т. д.

Рассмотрим, например, производство ступиц. Несложная техно-

логия их изготовления, на первый взгляд, не требует применения

высокоточного оборудования или даже РТК. На рис. 1 представлена

3D-модель ступицы для водяного насоса ОАО «ИЭМЗ „Купол“».

Рис

. 1. Ступица водяного насоса

При серийном и массовом производстве, где количество готовой

продукции каждый день может достигать 1 000 и более штук, а про-

верка качества деталей должна быть 100-процентной для всей пар-

тии, особо значимым становится вопрос о методах и средствах учета

готовой продукции. В настоящее время имеется возможность для

создания средств контроля годности и учета готовой продукции, что,

в свою очередь, не только снизит долю ручного труда контролеров,

но и себестоимость деталей и обеспечит их 100-процентное качество.

Необходимо предусмотреть не только подсчет количества деталей, но

и контроль качества деталей, который должен содержать определение

соответствия геометрических размеров.

Для реализации поставленной задачи выбрана SCADA-система,

выбрано устройство перемещения изделий между контролирующими

приборами.

Анализируя варианты SCADA-систем, выбрана SCADA-система

OWEN PROCESS MANAGER (OPM), так как она проста в понима-

нии и не требует высокой квалификации оператора. SCADA-система

выполняет следующие задачи:

– принимает и регистрирует информацию от приборов, имеющих

интерфейс RS232 через адаптер АС2 или RS485 через преобразова-

тель RS232-RS485, опрашивая их с заданными интервалами времени;

– архивирует данные с заданным промежутком времени по задан-

ным каналам приборов;

– отображает текущие показания приборов в цифровом или гра-

фическом виде;

– выдает сообщения о выходе измеряемых значений за установ-

ленные границы;

– позволяет просматривать архив измерений за любой промежу-

ток времени в табличном и графическом виде;

– отображает схему технологического процесса.

Для перемещений изделий выбран пластинчатый конвейер

(транспортер), предназначенный для перемещения в горизонтальной

плоскости или с небольшим наклоном (до 35 град) штучных грузов.

Грузонесущий орган – металлический, настил-полотно, состоящий из

отдельных пластин, прикрепленных к одной или двум тяговым цепям

(втулочно-роликовым). Типовые пластинчатые конвейеры, показан-

ные на рис. 2, имеют производительность до 2 000 т/ч.

Для измерений диаметра выбрана скоба электронная ЦД4М, кото-

рая совместима с ПЭВМ, имеет цену деления 0,1; 1,0; 20 мкм и по-

зволяет выполнять:

– контроль наружных диаметров деталей от 1 до 500 мм с запоми-

нанием размера;

– выдачу результата измерения на цифровой индикатор;

– индикацию разбраковки деталей «Брак+», «Брак–», «Годен».

Рис. 2. Типовой пластинчатый конвейер

Таким образом, подготовлено предложение по автоматизации про-

изводства и контроля готовой продукции – ступиц водяного насоса.

Е. В. Морозова, студентка;

научный руководитель – инженер М. К. Дудина

Новоуральский государственный технологический институт

Исследование процесса стружкообразования с применением

акустико-эмиссионного метода

В современном машиностроительном производстве отмечаются

тенденции значительного повышения затрат на механическую обра-

ботку. Одной из причин такого положения является увеличение тру-

доемкости технологической подготовки производства наряду с рос-

том цен на материалы, инструменты, оборудование и т. д. [1].

Рост трудоемкости подготовки вызван увеличением доли мелко-

и среднесерийного производства, т. е. переход на условия работы

под заказ. Мировой опыт свидетельствует о необходимости созда-

ния в таких условиях гибких производственных систем (ГПС) на

базе станков с ЧПУ.

С целью повышения эффективности функционирования ГПС и со-

кращения сроков подготовки производства необходимо решить задачу

выбора режимов резания и управления ими. От режимов резания зави-

сит производительность, себестоимость, точность и качество [2, 3].

Существуют нормативные базы для определения режимов реза-

ния [4]. Однако на практике режимы обработки назначаются, чаще

всего, эмпирически. При этом невозможно учесть многие факторы,

имеющиеся в реальном производстве.

Цель работы – создание методики идентификации деформацион-

ных процессов стружкообразования и разработке на ее основе авто-

матизированного способа контроля режимов резания. Основу предла-

гаемого метода составляет изучение деформационных процессов

в зоне стружкообразования с применением акустико-эмиссионного

анализа.

Акустико-эмиссионный метод – один из пассивных методов аку-

стического контроля. Акустическая эмиссия (АЭ) заключается в ге-

нерации упругих волн напряжения в твердых телах в результате ло-

кальной динамической перестройки их структуры [5]. Метод основан

на анализе параметров этих волн [6].

Главные источники АЭ – процессы пластической деформации,

связанные с появлением, движением и исчезновением дефектов кри-

сталлической решетки, возникновением и развитием микро- и макро-

трещин; трение (в том числе «берегов» трещины друг о друга); фазо-

вые (например, аллотропические) превращения в твердом теле.

Эмиссия проявляется в виде отдельных акустических импульсов.

В процессе стружкообразования происходит пластическая дефор-

мация металла в виде сдвигов локальных объемов материала, при

этом происходит генерация волн напряжения, которая является ис-

точником акустической эмиссии.

Главным параметром, на основе которого выполняется иденти-

фикация деформационных процессов стружкообразования, является

величина дискретных элементов стружки

∆Χ

, образующихся в ре-

зультате периодически повторяющихся сдвиговых деформаций.

Дискретные элементы стружки

∆Χ

измеряются для определения

частоты сдвигов, которая поддерживается на заданном уровне путем

изменения параметров режима резания (V и S) (рис. 1) [9].

Частота стружкообразования определяется по формуле [10]

f c

−

= .

а б

Рис. 1. Зависимость частоты стружкообразования от скорости резания

и подачи

В результате произведенных измерений и соответствующих рас-

четов получены входные характеристики системы, изображенной на

рис. 2.

Рис. 2. Линейная система с одним входом

Упругая динамическая система станок – инструмент – заготовка

рассматривается как линейная система с одним входом и постоянны-

ми для данного режима резания параметрами (рис. 2). На вход этой

системы подается случайный сигнал, зависящий от динамики образо-

вания величины ∆Х. На выходе системы получают реализацию слу-

чайного процесса [7, 8].

Проверка предложенного метода изучения процесса стружкообра-

зования выполнялась на экспериментальной установке (рис. 3). Аку-

стико-эмиссионные сигналы регистрируются с помощью осцилло-

графа посредством пьезодатчика, установленного на корпусе резца.

Запись этих сигналов во временной области и соответствующее ему

разложение в ряд Фурье по частотам.

На рис. 4 приведены запись акустического сигнала во временной

области и частотный спектр колебаний. Таким образом, получены

выходные характеристики процесса.

Система резания (ДС)

Х(t)

Y(t)

H(f)

Рис. 3. Схема лабораторного измерительного комплекса: 1 – заготовка; 2 –

резец; 3 – пьезокерамический датчик; 4 – усилитель; 5 – осциллограф ТDS-3034

Рис. 4. Запись сигналов пьезодатчика: а – во временной области;

б – частотный спектр колебаний

С помощью предварительного определения частоты сдвиговых

деформаций по характеристикам элементов стружки устанавливается

диапазон частот мгновенных сил резания и по этим данным через

спектральную плотность полосы (диапазона) в рабочем процессе

идентифицируется частота мгновенных сил резания, соответствую-

щая частотам сдвиговых деформаций.

Список литературы

1. Технологические проблемы в современном машиностроительном про-

изводстве : сб. науч. тр. – М. : МГТУ «Станкин», 1998. – 240 с.

2. Развитие науки о резании металлов / под ред. Н. Н. Зорева, Г. И. Гранов-

ского М. Н. Ларина и др. – М. : Машиностроение, 1967. – 416 с.

3. Клушин М. И. Резание металлов (элементы теории пластического де-

формирования срезаемого слоя). – М. : Машгиз, 1958. – 455 с.

4. Талантов Н. В. Физические основы процесса резания, изнашивания

и разрушения инструмента. – М. : Машиностроение, 1992. – 240 с.

5. Блэк У. Модель напряжения пластического течения при резании металла //

Конструирование и технология машиностроения. –1979. – № 4. – С. 124–139.

6. Кольский Г. Волны напряжений в твердых телах. – М. : Изд-во иностр.

лит., 1955. – 192 с.

7. Кудинов В. А. Динамика станков. – М. : Машиностроение, 1967. – 359 с.

8. Старков В. К. Обработка резанием. Управление стабильностью и качест-

вом в автоматизированном производстве. – М. : Машиностроение, 1989. – 296 с.

9. Подураев В. Н., Закураев В. В. Разработка и реализация способа управ-

ления оптимальным режимом резания // Вестн. машиностроения. – 1996. –

№ 11. – С. 31–36.

10. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. –

М. : Мир, 1974. – 463 с.

Н. С. Оралов, магистрант;

научный руководитель – Ю. Р. Никитин

Ижевский государственный технический университет

Диагностика асинхронных двигателей с применением

нейронных сетей

Асинхронные двигатели благодаря своей дешевизне, управляемости

и недорогому текущему обслуживанию стали важным компонентом

в современной промышленности. Неисправность мотора приводит

к остановке производства и финансовым потерям компании. Поэтому

необходим инструмент мониторинга текущего состояния двигателя на

предмет механических и электрических неисправностей. К настоящему

времени исследователями предложено множество способов диагности-

рования. Большинство работ посвящено какому-то одному способу ди-

агностирования, в особенности методу анализа сигнатур тока статора.

В данной работе внимание акцентировано на сравнении работы различ-

ных методов с применением нейронных сетей. В качестве анализируе-

мого сигнала используется мгновенная мощность, показавшая ранее

хорошие результаты по сравнению с методом анализа сигнатур тока.

Асинхронные двигатели широко распространены в промышлен-

ности и по оценкам экспертов потребляют более 70 % всей произво-

димой электрической энергии. Имеется тенденция расширения их

использования благодаря достижениям в области микропроцессорной

техники и силовых приборов – MOSFET, IGBT-транзисторов. Поэто-

му вопросы надежности и безотказности асинхронных двигателей

являются весьма актуальными. Об актуальности диагностирования

асинхронных двигателей говорит и то, что значительно увеличилось

количество исследовательских работ по данной теме.

Основные неисправности электрических машин можно классифи-

цировать следующим образом:

– неисправности статора, заключающиеся в замыкании накоротко

одной или нескольких обмоток или замыкании на землю;

– неисправное короткозамыкающее кольцо или ротор;

– статическая или динамическая неравномерность воздушного зазора;

– неисправность вала, которая может привести к соприкоснове-

нию ротора со статором;

– неисправные подшипники.

Примерное процентное соотношение неисправностей асинхрон-

ного двигателя показано на рис. 1.

К основным методам выявления неисправностей [1] относятся

вибрационная диагностика, сигнатурный анализ тока статора, изме-

рение акустического шума и др.

Исследования показали, что каждый тип неисправности ассоции-

руется с соответствующими частотными составляющими в фазном

токе статора.

Дефекты подшипников можно разделить на дефекты внешней

и внутренней дорожек качения, элементов качения и сепаратора. Де-

фекты генерируют серию вибрационных импульсов каждый раз, ко-

гда элемент качения проходит над дефектной поверхностью. Ампли-

туда и период импульса зависят от положения дефекта, скорости

вращения ротора и размеров подшипников [2].

100

Рис. 1. Процентное соотношение неисправностей асинхронного двигателя

Вибрация, созданная дефектом, модулируется в токе статора, и этот

сигнал может быть легко измерен для дальнейшего диагностирования

неисправности. Для каждого дефекта выработаны уравнения, по кото-

рым вычисляются характеристические частоты вибрации [3].

Эти частоты проявляются в спектре тока:

f f m f

= ± ⋅

, (1)

где m = 1, 2, 3, …; f

– частота питания; f

– одна из характеристиче-

ских частот вибрации.

Cоставляющие боковой полосы частот и их производные в ре-

зультате неисправного ротора или динамической неравномерности:

(1 2 )

f ks f

= ± ⋅

, (2)

где f – частота питания; s – скольжение.

К неисправностям статора обычно относят неисправности изоля-

ции. В основном, они известны как однофазное короткое замыкание

на землю или междуфазное короткое замыкание.

Неисправность подшипников, вала или ротора приводит к стати-

ческому и динамическому эксцентриситету воздушного зазора. Экс-

центриситет создает силу, действующую на ротор, которая в даль-

нейшем смещает ротор с центральной оси статора. Динамический

эксцентриситет вызывает магнитное притяжение, действующее на

ротор и вращающееся с той же угловой скоростью, что и ротор.

Принципиальная схема диагностирования неисправностей пред-

ставлена на рис. 2.

Проблема выделения различных неисправностей и их влияния на

электрические и механические параметры машины разрешается пу-

тем интерпретации частотных составляющих текущего спектра с уче-

том всех рабочих состояний машины.