автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация технологического процесса селективной сборки электромагнитов на основе контроля магнитных свойств деталей

00'

61

На правах рукописи

134

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

2 1 ОКУ 2010

Новочеркасск - 2010

004611134

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 Ю00 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

¿{¿V 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, Lab View, 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, 2125 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 б для различных постоянных значений тока I в обмотке F = /(S)/=COf!st. 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: I - 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

60 ;о

40

зо

20

10 о

1 \ 2 г \ N.

зр

4

о 0.5 1 1.5 2 2,5 4 мм Рис.1. Тяговые характеристики электромагнита

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 уСЛО- ДЦ/.ЛЧ/ виях 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 «р^, ) - вероятностное распределение величин влияния (магнитных характеристик) X, ных деталей; - при-

емлемые границы групп допусков; Рк~ тяговое усилие (признак качества), -

Изготовление

деталей элетромагнита

Измерение магнитных параметров

Ч>М

А

Йк

Определение групп допусков

б 4 2 1 3 5 х,

Сортировка

Корректировка параметров процесса

Ю-

Сборка

изготовлен- (электромагнита

Информационный Материальный поток

Рк (1 ± 8/^ )

Рис. 2. Схема адаптивно-селективной сборочной технологии

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 Дц, и среднеквадратического отклонения Да,.

В основу модели допуска деталей для сборки предлагается функциональная взаимосвязь тягового усилия У7от магнитных свойств деталей Х(в(Н)) электромагнита:

где к = д - количество электромагнитов; / = 1,...,п, п - количество деталей.

Допустимое отклонение тягового усилия ^ к-го электромагнита при реализации АСС оценивается неравенством

/=1 (=1 7=1 где М- относительный допуск магнитной характеристики ¿-ой детали Х„ ЪХ1 = (ЛХ//Х1)]00%, АХ1 =(Хпт абсолютный допуск магнитной харак-

теристики Х{, ак- весовой коэффициент первого порядка,

весовой коэффициент второго порядка,

П п)Х>Х,

ЪХ.дХ, 2^ ■

Точность изготовления деталей при селективной сборке заменяется точностью измерения отклонений параметров величин влияния, а, следовательно, точностью их сортировки. Успешная реализация АСС по магнитным свойствам во многом определяется способностью подсистемы управления технологическим процессом селективной сборки определять магнитные свойства деталей. Поэтому были рассмотрены требования и предложена методика расчета погрешности контроля магнитных характеристик по критерию ошибок первого и второго рода.

Оценку влияния отклонения магнитных характеристик деталей от заданных, а также назначение приемлемых границ групп допусков величин влияния для

обеспечения требуемых характеристик электромагнитов осуществляется на основе моделирование магнитного состояния деталей электромагнитов.

Электромагниты относятся к сложным электротехническим устройствам, технические и эксплуатационные характеристики которых определяются электромагнитной цепью, конструкцией, геометрическими размерами, используемыми материалами и другими параметрами. Выполненный анализ методов моделирования тяговой характеристики электромагнита показал, что целесообразно использовать математическое моделирование на модели, построенной на основе теории электромаг-

нитного поля. Она позволяет с высокой точностью определять тяговую силу ^ в результате рассмотрения поля в ферромагнитных телах и окружающем их пространстве как результат сложения поля, создаваемого внешними источниками, и поля, создаваемого объемными и поверхностными молекулярными токами ферромагнетика. В ходе реализации таких моделей выполняется численный расчет магнитного поля, который приводит к значительным затратам. Увеличивается время определения тяговой силы /<", требуется вычислительные средства большой мощности. Это является основным препятствием применения таких моделей для автоматизированной селективной сборки электромагнитов. Однако многие конструкции электромагнитов имеют пространственную конфигурацию, позволяющую выполнять расчет магнитного поля в двумерной постановке: сведению, в общем случае объемного магнитного поля, к плоскопараллельному или к плоскомеридианному. Это позволяет снизить указанные затраты. Следует отметить, что для решения поставленной задачи нет необходимости знать распределение силы по выделенному объему, а требуется определить только результирующую силу, действующую на объем. Поэтому сила F, действующая на объем V в магнитном поле, может быть найдена путем суммирования элементарных сил с1Р = Тас15, приложенных к элементам поверхности 5, охватывающей объем V

(1)

где Тп - вектор натяжения, Т„ = Тпп + Тт, Тт - нормальная составляющая натяжения, Тт =п(в*2ц); Тт - тангенциальная составляющая натяжения, Тт = (В„ВХ Вп=пВп - нормальная составляющая магнитной индукции; Вх = г В, - тангенциальная составляющая магнитной индукции; п, т - внешние нормальная и тангенциальная составляющие к элементу поверхности <#>, на котором определяется натяжение; ц - магнитная проницаемость материала.

Уравнения магнитного поля (уравнения Максвелла), уравнение (1), магнитные характеристики материала деталей образуют математическую модель тяговой характеристики электромагнита. Возможность применения модели для селективной сборки исследовалось экспериментально. Определялось изменение тяговой силы от изменения магнитных свойств материала деталей электромагнита, показанного на рис. 3. В предложенной модели изменялись параметры основной кривой намагничивания материала деталей. Выбор диапазона изменения параметров обусловлен несовершенством технологического процесса изготовления деталей и для максимальной магнитной проницаемости и магнитной индукции насыщения В5 не превышает ±

20 % . Как следует из рис. 4, 5 (7 - вариация Д„ )ат2Х

Рис. 3. Внешний вид электромагнита

материала якоря, 2 - вариация В5, Цпи* материала втулки, 3 — вариация Цт« материала корпуса) существует значительная зависимость тяговой силы от изменения параметров В, и ц,^. В большей степени на тяговую силу оказывает влияние цти -максимальное изменение тяговой силы наблюдается для втулки. Относительное изменение тяговой силы 5.Р составило от -27 до + 61 %. Изменение В, для этой конструкции электромагнита оказывает меньшее влияние. Для втулки ЬР составило от

а) б)

Рис.4. Зависимость тяговой силы от относительного изменения Д, (а) и ц™ (б) материала деталей

а) 6)

Рис. 5. Зависимость относительного изменения тяговой силы от относительного изменения В, (а) и ц™* (б) материала деталей

Исследования показали, что предложенная математическая модель тяговой характеристики электромагнита позволяет реализовать метод автоматизированной селективной сборки по магнитным характеристикам. Хорошие результаты моделирования достигаются даже в случае упрощенного представления изменения характеристики материала - изменением параметров Вг и Цтах- Учет изменения всей характеристики (основной кривой намагничивания) позволит построить более адекватную модель тяговых характеристик. Однако требует хранить большой объем информации. Для его оптимизации предлагается использовать описание семейства основных кривых намагничивания с помощью метода главных компонент.

Координаты точек основных кривых намагничивания (ОКН) В(Н) в силу зависимости магнитных параметров от многих технологических режимов и не учитываемых случайных помех, а так же наличия случайной составляющей погрешности измерения, можно считать случайными величинами. Исходя из этого, каждую ОКН можно рассматривать как вектор, сформированный следующим образом: на ОКН для фиксированных значений напряжённости Н, определяются значения индукции В\(Щ, которые и являются элементами вектора В\. Таким же образом формируются векторы и для остальных ОКН семейства, причём значения индукции определяются при тех же значениях напряжённости. Полученные таким образом векторы записываются в одну матрицу В размерности п х к, где п - количество фиксируемых точек, а к—число исследуемых кривых

'ВМ В2(Я,) 5,(Я,) Вк{Н,) 5,(Яг) вг{нг) ... В,(Н2) .» Вк{Н2)

В =

в,(я,) в2(я,) ... в,{н,) - вк{н)

я,(я„) в2(н„) ... в,(н„) ... в,(я„)

Для нахождения ковариации определяется вектор выборочных средних по строкам матрицы В. Следующим шагом определяются отклонения от среднего для каждого наблюдения и сводятся эти отклонения в матрицу Р, каждый элемент которой формируется по формуле

Затем определяются вектор характеристических чисел X и матрица характеристических векторов р матрицы ¥

V

К

2 ;Р=

Л.

Р» Р« Ри Р:2

.Р.. К

0.1

Р*

Используя полученные матрицы, находится матрица главных компонент

г = ргв.

Главные компоненты упорядочиваются в соответствии со значимостью, затем используется критерий восстановления характеристик и малозначимые компоненты отбрасываются.

Предложенный метод позволяет сократить массив семейства ОКН (рис. 6, а) до массива семейства ОКН после выделения главных компонент (рис. 6, б) и, следовательно, обеспечить классификацию деталей электромагнитов.

Разработан алгоритм автоматизации селективной сборки электромагнитов, позволяющий реализовать метод сборки на основе моделирования тяговых характеристик. Алгоритм состоит из следующих этапов.

Этап 1. С учетом возможных разбросов величин влияния - основных кривых намагничивания материала деталей определяют максимальные диапазоны их изменений. Применяя метод главных компонент, оптимизируют объемы хранимой статистической информации - вариации основных кривых намагничивания. Выделяют

2,0

1,6

1.2 ' я

0,8 к

0,4 у

о

0

* —

\

Я, кА/м

а)

-1,0 -0,99-0,98 -0,97 -0,96 -0,95 -0,94 -0,93 -0,92 Фактор 2\ б)

Рис. 6. Семейство основных кривых намагничивания до (а) и после (б) выделения главных компонент наиболее информативные компоненты. Исходя из метрологических характеристик устройств контроля магнитных свойств деталей, определяют границы групп допусков [А., л] по полученным компонентам для обеспечения требуемых функциональных допусков 8Р признака качества Р.

Этап 2. Для каждой комбинации групп допусков деталей Т осуществляют моделирование тяговых характеристик электромагнита. По результатам моделирования строят таблицу годности изделий.

Этап 3. Выполняют контроль деталей электромагнитов с сортировкой на группы допуска. Операция сборки, обеспечивающая максимальный выход годных электромагнитов начинается с любой детали классификационного уровня, на котором находится их максимальное количество. В качестве пары выбирается с учетом таблицы годности деталь, соответствующая классификационному уровню, содержащему максимальное количество деталей.

Этап 4. По результатам контроля деталей и сборки электромагнитов определяют изменение распределения действительных значений величин влияния вследствие вариации характеристик процесса изготовления - математического ожидания Дц и среднеквадратического отклонения До и осуществляют корректировку технологического процесса.

Приведен пример реализации алгоритма. Анализ полученных результатов показывает, что применение автоматизированной селективной сборки позволяет увеличить выход годных изделий (на 30 % при разбросе магнитных свойств деталей до ±20%).

В третьей главе «Метод измерения магнитных свойства материала деталей для подсистемы управления автоматизированной селективной сборкой электромагнитов» показано, что для выполнения селективной сборки электромагнитов необходимо определять магнитные характеристики материала дегалей путем их испытания в неполностью замкнутой магнитной цепи. Анализ известных методов показал, что определение характеристик материала деталей в таких магнитных цепях в виде зависимости В = /(#) в общем случае затруднительно, так как данная задача плохо обусловлена. Решить проблему позволяют натурно-модельные испытания деталей.

Рассмотрены особенности натурно-модельного метода в условиях массового производства и определены требования к средствам измерения и моделирования стационарного магнитного поля. В результате обзора и анализа известных моделей и методов расчета магнитного поля установлено, что известные модели и методы расчета недостаточно эффективны при решении задач моделирования в системах с неполностью замкнутой магнитной цепью.

Выбор математической модели и метода расчета магнитного поля обусловлен особенностью магнитной системы устройства: ее геометрическими размерами; границами магнитных полей; характером поля (плоскопараллельное, плоскомеридианное, трехмерное), а также свойствами испытуемых деталей и их геометрическими размерами. Основными критериями выбора модели являются требуемые точность и время определения статических магнитных характеристик (СМХ) деталей электромагнитов в условиях массового производства. Первый параметр обусловлен требованием метода селективной сборки - погрешность определения СМХ не должна превышать ±5%. Второй - необходимостью испытания всей номенклатуры деталей электромагнитов во временном режиме, достаточном для безостановочной работы автоматизированных линий производства электромагнитов (100 деталей в час).

Как показал анализ, первому критерию выбора модели поля магнитной системы электромагнита отвечает математическая модель, построенная на основе дифференциальных уравнений с частными производными

где Л,- векторный магнитный потенциал в области 5г, не занятой ферромагнетиками; Аг - векторный магнитный потенциал в области ферромагнетиков 5М; -плотность тока в намагничивающей катушке 5..

Для реализации модели в системах со сложной конфигурацией рекомендуется использовать МКЭ. Для обеспечения малой погрешности расчета магнитного поля необходимо формировать конечно-элементную сетку с большим количеством элементов. Это увеличивает время расчета и, следовательно, снижает быстродействие подсистемы управления технологическим процессом автоматизированной селективной сборки электромагнитов. Путь к решению проблемы быстродействия заложен в самом методе натурно-модельных испытаний. Эксперимент и моделирование могут применяться поочередно с одновременным усложнением или эксперимента, или математических моделей. Для достижения одной и той же погрешности определения СМХ материала деталей можно, например, упростить условия и аппаратуру эксперимента, усложнив расчет магнитного поля системы и наоборот. Учитывая это, предлагается комбинированная модель магнитного поля. Ее суть заключается в следующем - измеряется магнитный поток по границе исследуемой области, а затем расчетным путем МКЭ определяются характеристики магнитного поля во всей области.

Сокращение размерности системы уравнений (2) возможно путем оптимизации области расчета. Предлагается использование граничных условий Дирихле. Для

8: ц 3: дг цг дг

(2)

плоскомеридианных магнитных полей с применением векторного потенциала их можно представить в следующем виде

А(г,г)=А0 + А,г + А2г. (3)

Магнитный поток Ф, сцепленный с замкнутым контуром, ограничивающим поверхность Б, связан с магнитным векторным потенциалом соотношением

Ф= = |гоЫ<Й\

5 У

По теореме Стокса ^то\Ас!8 = ^А(И, поэтому = А ей. В плоскомеридианном

У £ £

поле векторный потенциал можно выразить через магнитный поток, сцепленный с кольцевым контуром, плоскость которого нормальна оси г. Беря циркуляцию векторного потенциала по замкнутому круговому контуру, проходящему через точку £>(г,г), и, учитывая, что векторный потенциал имеет лишь одну составляющую, совпадающую с касательной к этому контуру Л = Лф, Ф и А связаны формулой Ф = 2ти-дА{<2). Таким образом, экспериментально определив магнитный поток по линиям характерных сечений граничных поверхностей, можно определить по формуле (3) граничные условия, позволяющие сократить область расчета и тем самым увеличить быстродействие подсистемы управления сборкой электромагнитов.

Исследования показали, что для обеспечения малой погрешности расчета магнитного поля достаточно трех измерительных катушек. Их расположение схематично показано на рис. 7, где ИО - испытуемый образец; ЦС] и ЦС2 - цилиндрические стержни из известного ферромагнитного материала; Я - ярмо; НК - намагничивающая катушка; ИКВ - измерительная катушка магнитной индукции; ИКГ1,ИКГ2, ИКгз - измерительные катушки граничных условий; ПН — преобразователь напряженности магнитного поля. В этом случае расчетная область представляет собой пространство, ограниченное коаксиальными цилиндрическими и торцевыми поверхностями по месту расположения ИКГ|, ИКг2, ИКгз.

Соотношения (2), (3) и характеристики В = /(я) ферромагнетиков образуют комбинированную математическую модель магнитного поля магнитной системы для подсистемы управления сборкой электромагнитов. Применение этой модели позволяет эффективно рассчитывать параметры магнитного поля методом конечных элементов.

С целью проверки предложенной математической модели и возможности практического применения МКЭ были проведены измерительные и вычислительные

1

управления сборкой

эксперименты. Использовалась магнитная система, показанная на рис. 7. Измерялись магнитные потоки с помощью измерительных катушек: ИКв - в центральном сечении испытуемого образца; ИКг1,ИКг2, ИКг3 - в районе задания граничных условий. Напряженность магнитного поля измерялась преобразователем Холла HAL8XS фирмы Micronas (ПН) у поверхности образца в районе его центрального сечения при значениях напряженности магнитного поля Яе создаваемых намагничивающей катушкой и обеспечивающих изменение магнитного состояния образца от размагниченного до насыщения. Погрешность измерения магнитного потока и напряженности магнитного поля не превышала соответственно 0,5 и 1 %. Магнитная индукция определялась по формуле В = ФВ/5обр, где Фв - магнитный поток в катушке ИКВ; S^p -

площадь сечения катушки ИКВ. Вычисления магнитной индукции и напряженности магнитного поля выполнялись также в районе расположения измерительных преобразователей ИКВ и ПН.

На рис. 8,а показана магнитная система с конечно-элементной сеткой без задания граничных условий с использованием экспериментальных данных. Сетка строилась исходя из того, что количество элементов должно обеспечить требуемую точность расчета магнитного поля при реализации натурно-модельного метода. На рис. 8,6 приведена магнитная система с конечно-элементной сеткой с заданием граничных условий с использованием экспериментальных данных. Благодаря введению новых граничных условий, количество конечных элементов уменьшилось с 33350 до 24126.

Анализ результатов показывает, что время определения ОКН при введении граничных условий на основе экспериментальных данных равно 34 сек, что на 41 % меньше времени расчета в системе на рис. 8,а. Так как система (рис. 8) имеет асимметрию, то анализировались результаты, полученные с одинаковыми (симметричными) граничными условиями по торцовым краям магнитной системы и данные с расчетами, полученными с несимметричными граничными условиями. В последнем случае использовались измерительные катушки ИКг1с, ИКг2с, расположенные зеркально относительно оси г катушкам ИКг1, ИКг2. На рис. 9 показаны графики зависимости относительной погрешности 5 определения ОКН для случая симметрии (/) и асимметрии (2) от МДС. Следовательно, в ходе эксперимента достаточно измерять

Рис. 8. Магнитная система с конечно-элементной сеткой

1x10

2x10s

M, A

Рис. 9. Погрешности расчета ОКН для случаев симметрии и асимметрии граничных условий

магнитный поток, не учитывая асимметрию магнитной системы. Это позволит сократить число измерительных катушек для получения экспериментальных данных, необходимых для задания граничных условий.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что предложенная комбинированная модель позволяет эффективно решать задачи моделирования при определении статических магнитных характеристик натурно-модельным методом.

В четвертой главе «Подсистема управления технологическим процессом автоматизированной селективной сборки электромагнитов» рассматривается разработанная подсистема управления технологическим процессом автоматизированной селективной сборки электромагнитов с учетом магнитных свойств деталей. Одним из основных блоков подсистемы является устройство технологического контроля магнитных свойств деталей электромагнитов. Показано, что современные АСУТП включают целый ряд автоматизированных подсистем различных уровней системной организации, функционирующих в реальном масштабе времени. Задача разработки подсистемы успешно решена благодаря использованию оборудования фирмы National Instruments (N1), предлагающей широкий спектр устройств ввода-вывода информации, позволяющих решить практически любые задачи оцифровки измерительных сигналов и формирования аналоговых сигналов управления. В сфере технологий разработки программного обеспечения использовалась среда визуального и графического программирования LabVIEW N1, позволяющая реализовать концепцию виртуальных приборов. Структурная схема подсистемы приведена на рис. 10, внешний вид экспериментального образца - на рис. 11.

Рис. 10. Структурная схема подсистемы управления технологическим процессом автоматизированной селективной сборки электромагнитов Структурная схема подсистемы управления состоит из блока намагничиваю-

щей системы (БНС), блока первичной обработки информации (БПОИ), интерфейсной платы N1 USB 6251 и персонального компьютера (ПК). Подсистема работает следующим образом. Очередная испытуемая деталь (ИД) с помощью механизма подачи и разбраковки деталей (МПиР) загружается в измерительную позицию в намагничивающей системе (НС). Ток, создаваемый управляемым источником тока (УИТ), обеспечивает пере-магничивание ИД в соответствии с программой испытаний при максимальном быстродействии, ЧТО повы- Рис. п. Внешний вид экспериментального образца

шярт пппичпгтитрпьнпг-гь угтпойгтвя подсистемы управления технологическим процессом шает производительность устройства автоматаировая^й селективной сбор™ злеетромапогшв

контроля. Сигналы, пропорциональные изменению магнитной индукции в центральном сечении ИД, магнитного потока на границе области расчета магнитного поля и напряженности магнитного поля у поверхности ИД, с измерительных катушек магнитной индукции (ИКИ), магнитного потока (ИКП) и преобразователя напряженности (ПН) поступают на входы усилители каналов измерения магнитной индукции (УИ), магнитного потока (УП) и напряженности магнитного поля (УН), где усиливаются и затем подаются на аналоговые входы интерфейсной платы N1 USB 6251, в которую входят аналого-цифровой (АЦП) и цифроаналоговый (ЦАП) преобразователи, блок цифрового ввода/вывода (ЦВВ). Управление процессом перемагничивания и ввод измерительной информации о напряженности магнитного поля и скорости изменения магнитной индукции и магнитного потока в ИД осуществляется при помощи блоков АЦП/ЦАП интерфейсной платы N1 USB 6251.

Экспериментально полученная магнитная характеристика детали В(Н)3 методом натурно-модельного эксперимента преобразуется в магнитную характеристику материала детали В{Н)и (подпрограмма «Моделирование магнитных свойств материала» (МСМ)). Далее с помощью подпрограммы «Классификация магнитных характеристик» (KMX) все детали разделяются на группы по уровню магнитных свойств материала. Подпрограмма «Моделирование эксплуатационных характеристик электромагнитов» (МЭХ) осуществляет подбор комплектов деталей электромагнита, обеспечивающего заданные эксплуатационные характеристики и выдает управляющий сигнал в модуль селективной сборки (МСС).

Программная часть системы управления выполнена в графической среде программирования LabVIEW и позволяет: создать интегрированную среду для сбора и обработки данных о магнитном состоянии ИД, моделирование магнитных характеристик материала испытуемого изделия, а также управления работой средств автоматизации процесса испытаний. Подсистема входит в состав АСУТТТ производства электромагнитов. В цеховых условиях на работу электронной аппаратуры оказывает значительное влияние действие электромагнитных помех. Оно особенно критично

для измерительных каналов устройства контроля. Для решения этой проблемы, на основании проведенных исследований, в программном обеспечении используется подпрограмма цифровой фильтрации измерительных сигналов магнитной индукции, магнитного потока и напряженности магнитного поля.

Метрологические испытания экспериментального образца подсистемы управления показали, что случайная погрешностью измерения магнитных параметров материала деталей при доверительной вероятности 0,95 не превышает ± 3 %, производительность - не менее 100 деталей в час.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

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 автоматизац 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.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1.* Горбатенко, Н.И. Метод селективной сборки на основе моделирования магнитного состояния деталей электромагнитов / Н.И. Горбатенко, В.В. Гречихин, Н.М. Кыонг // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2009. - Спецвыпуск: Проблемы мехатроники - 2009. - С. 110-112.

2.* Горбатенко, Н.И. Построение устройств измерения магнитных характеристик изделий из ферромагнитных материалов с использованием технологии National Instruments / Н.И. Горбатенко, В.В. Гречихин, Н.М. Кыонг // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2009. - Спецвыпуск: Информационно-измерительная техника и технологии. - С. 56-59.

3.* Кыонг, Н.М. Using digital filters of Labview in measuring techniques / Н.М. Кыонг // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2010. - №2. - С. 24-26.

4. Бахвалов, Ю.А. Комбинированные модели электромагнитных полей микроэлектромеханических систем / Ю.А. Бахвалов, Н.И. Горбатенко, В.В. Гречихин, Н.М. Кыонг // 53 Междунар. науч. коллоквиум: материалы конф. - Ильменау, 2008.-С. 213-214.

5. Горбатенко, Н.И. Измерения магнитных величин в микроэлектромеханических системах / Н.И. Горбатенко, В.В. Гречихин, Н.М. Кыонг, Е. Калленбах, Й. Ба-умбах // 53 Междунар. науч. коллоквиум: материалы конф. - Ильменау, 2008. -С. 215-216.

6. Кыонг, Н.М. Устройство активного технологического контроля магнитных параметров изделий из ферромагнитных материалов / Н.М. Кыонг, Горбатенко,

B.В. Гречихин // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments: сборник трудов VII науч.-практич. конф.: Москва, 28-29 ноября 2008 г. - М.: РУДН, 2008. - С. 51-52.

7. Горбатенко, Н.И. Натурно-модельные испытания постоянных магнитов / Н.И. Горбатенко, В.В. Гречихин, Н.М. Кыонг [и др.] // XVII Междунар. конф. по постоянным магнитам, Суздаль, 21-25 сент. 2009 г.: тез. докл. — М., 2000. -

C. 128-129.

8. Бахвалов, Ю.А. Моделирование магнитных систем в натурно-модельном эксперименте / Ю.А. Бахвалов, Н.И. Горбатенко, В.В. Гречихин, Н.М. Кыонг // XVII Междунар. конф. по постоянным магнитам, Суздаль, 21-25 сент. 2009 г.: тез. докл.-М., 2009.-С. 188-189.

9. Кыонг, Н.М. Аппаратно-программный комплекс для испытания постоянных магнитов на платформе National Instruments // Н.М. Кыонг, Н.И. Горбатенко, В.В. Гречихин // XVII Междунар. конф. по постоянным магнитам, Суздаль, 21-25 сент. 2009 г.: тез. докл. - М., 2009. - С. 144-145.

10. Свид. об оф. per. прогр. для ЭВМ 2010613416 Российская Федерация Определение магнитных характеристик изделий из ферромагнитных материалов натурно-модельным методом / Кыонг Н.М., Гречихин В.В., Горбатенко Н.И.; Роспатент. -№2010613416; заявл. 29.03.2010; зарег. 24.05.2010.

Символом * отмечены работы в рецензируемом научном журнале, входящем в перечень ВАК.

Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах: [1] — идея использования магнитных характеристик для селективной сборки; [2,6,9] - разработка функциональной и принципиальной схемы, изготовление макетного образца, проведение экспериментальных исследований; [4,8] - построение дискретной модели и алгоритма реализации; [5,7] - проведение экспериментальных исследований; [10] - разработка программного обеспечения.

Нгуен Мань Кыонг

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СЕЛЕКТИВНОЙ СБОРКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ НА ОСНОВЕ КОНТРОЛЯ МАГНИТНЫХ

СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ

Автореферат

Подписано в печать^.09.2010. Формат 60*84 1/16 Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,6. Тираж 120 экз. Заказ 48-810.

Издательство ЮРГТУ (НПИ) 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132 тел., факс (863-52) 5-53-03

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.

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.

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

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