автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизация виброформования головных уборов

i

л * ^ - / ... _ 3

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

На правах рукописи

МАЙДАНЮК РОМАН АНДРОНОВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ ВИБРОФОРМОВАНИЯ ГОЛОВНЫХ

УБОРОВ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.13.07 ^Автоматизация технологических

процессов и производств"'

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Бурмистров А.Г. кандидат технических наук, профессор Кочеров A.B.

Москва - 1998г

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ ...................... 5

ГЛАВА 1. ТИПОВОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

ВИБРОФОРМОВАНИЯ ГОЛОВНЫХ УБОРОВ КАК ОБЪЕКТ АВТОМАТИЗАЦИИ............... 11

1.1. Типовой технологический процесс виброформования головных уборов.......11

1.2. Оценка динамических моделей резонансных вибрационных установок и механизмов.....

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ТИПОВОГО

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ВИБРОФОРМОВАНИЯ. . 33

2.1. Математическая модель пневматического вибровозбудителя направленного действия. . . 33

2.2. Математическая модель однотактного электромагнитного вибровозбудителя ..... 51

2.3. Математическая модель обрабатываемого материала с учетом его релаксационных

свойств...................5 9

2.4. Математическая модель типового технологического процесса виброформования

головных уборов...............64

Выводы по главе...............69

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ СИСТЕМЫ

АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ВИБРОФОРМОВАНИЯ ГОЛОВНЫХ УБОРОВ. . 71

3.1. Структурная схема модели деформации материала после мгновенного снятия нагрузки......71

3.2. Экспериментальное исследование релаксационных характеристик материалов. . . 73

3.3. Уравнение поведения формуемого изделия при воздействии гармонической вынуждающей силы . 7 9

3.4. Функциональная схема системы автоматического управления технологическим процессом

виброформования головных уборов.......

Выводы по главе...............91

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРОВОЗБУДИТЕЛЕЙ И ФОРМУЕМЫХ ИЗДЕЛИЙ КАК ДИНАМИЧЕСКИХ ЗВЕНЬЕВ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ......... 92

4.1. Уравнение движения пневматического вибровозбудителя направленного действия. . . 92

4.2. Уравнение движения однотактного электромагнитного вибровозбудителя ..... Ю2

4.3. Динамика поведения формуемого изделия в системе автоматического управления процессом

виброформования...............109

Выводы по главе...............112

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ВИБРОФОРМОВАНИЯ ГОЛОВНЫХ УБОРОВ. . ИЗ

5.1. Структурная схема системы автоматического

управления процессом виброформования . . . .ИЗ

5.2. Устойчивость САУ процессом виброформования изделий...................119

5.3. Оценка качества регулирования в САУ процессом виброформования головных уборов. . 124

5.4. Экспериментальное исследование типового технологического процесса виброформования

как объекта управления ........... 133

Выводы по главе...............137

ЗАКЛЮЧЕНИЕ . . ...................140

ЛИТЕРАТУРА.....................142

ПРИЛОЖЕНИЯ.....................150

ВВЕДЕНИЕ

Законы развития рыночной экономики определяют задачи успешного функционирования производства. В борьбе за рынки сбыта побеждают те предприятия, продукция которых более качественная и менее дорогая, чем у конкурирующих производителей. Подобные проблемы стоят и перед предприятиями меховой промышленности. Как известно, спрос на меховые изделия, в том числе и на головные уборы из меха и фетра, в нашей стране, где большинство регионов имеют снежные и холодные зимы, очень высок. Поэтому для обеспечения конкурентоспособности российских предприятий как на российском, так и на зарубежных рынках актуальны задачи по разработке новых автоматизированных ресурсоэкономных технологий и оборудования для изготовления качественной продукции.

Современное производство основной части головных уборов сосредоточено на крупных меховых специализированных предприятиях, однако доля ручного и машинно-ручного труда на фабриках меховой промышленности высока, а машинное время не превышает 4 0% [20].

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке и исследованию автоматической системы управления процессом виброформования головных уборов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Процессы формования изделий легкой промышленности охватывают широкий круг технологических операций при производстве головных уборов [32,37,78]. Одним из перспективных направлений совершенствования данных процессов является использование вибровоздействий на обрабатываемое изделие, которое обеспечивается с помощью разнообразных вибрационных установок. При использовании методов виброформования изделий [25,4 6,62-65,68,71] уменьшаются время обработки и трудоемкость изготовления, повышается качество обрабатываемых изделий, обеспечивается большая экономия сырья.

В легкой промышленности процессы формования вообще и виброформования в частности до настоящего времени являются ручными, не автоматизированными технологическими операциями. Отдельные рекомендации по их автоматизации [57] не дают возможности практически решить сложную задачу перехода от ручного управления этими процессами к автоматическому.

Поэтому актуальной является научная проблема разработки математических моделей объектов управления и вибрационных механизмов как элементов системы автоматического управления, разработка и исследование данной системы при различных видах возмущающих воздействий с учетом релаксационных свойств используемых материалов.

Цель работы.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка методологии подхода к автоматизации технологического процесса виброформования головных уборов с учетом их релаксационных характеристик, разработка и исследование системы автоматического управления данным технологическим процессом.

Для достижения данной цели в диссертации решены следующие научные задачи:

1) Составлена обобщенная математическая модель технологического процесса виброформования различных изделий с учетом релаксационных свойств используемых материалов;

2) Исследованы вибровозбудители как элементы автоматических систем управления процессом формования; Определены их математические модели;

3) Составлены функциональные и структурные схемы автоматической системы управления формованием с учетом передаточных функций используемых элементов и свойств обрабатываемых изделий;

4) Осуществлено имитационное моделирование динамических характеристик разработанной автоматической системы, определены области ее устойчивой работы при различных физико-механических свойствах используемых материалов и внешних воздействиях.

В первой главе диссертационной работы проведен аналитический обзор научных результатов, полученных другими авторами в части принципов построения вибрационных машин и вибровозбудителей, их параметров и характеристик, описана типовая технологическая установка для виброформования головных уборов. На основании обзора

сформулированы цель и задачи настоящей диссертационной работы.

Во второй главе диссертации теоретически исследована и разработана обобщенная математическая модель типового технологического процесса виброформования головных уборов .

В третьей главе на основе исследований особенностей поведения обрабатываемых изделий при виброформовании разрабатывается функциональная схема системы автоматического управления процессом виброформования головных уборов. Приведены результаты экспериментальных исследований некоторых типов материалов, используемых при формовании головных уборов.

Четвертая глава посвящена теоретическому исследованию динамических и статических характеристик вибровозбудителей и формуемых изделий как элементов автоматической системы управления технологическим процессом виброформования головных уборов.

В пятой главе разрабатывается структурная схема разомкнутой и замкнутой систем автоматического управления процессом виброформования, получены математические выражения передаточных функций в разомкнутом и замкнутом состоянии системы. Теоретически исследуются динамические процессы в разработанной замкнутой системе автоматического управления типовым технологическим процессом виброформования головных уборов из меха и фетра. Методами имитационного моделирования определяются основные динамические характеристики и рассчитываются области устойчивой работы системы.

В заключении изложены основные результаты исследований .

Научная новизна.

1)Впервые применительно к технологическому процессу виброформования головных уборов из меха и фетра обоснован выбор рациональных типов вибровозбудителей как исполнительных элементов системы автоматического управления. Проведен их теоретический анализ и расчет динамических характеристик.

2)Разработана новая обобщенная математическая модель типовой установки для виброформования головных уборов из меха и фетра с учетом релаксационных свойств используемых материалов и особенностей вибровозбудителей.

3)Разработана и исследована динамическая система автоматического управления виброустановкой для виброформования головных уборов из меха и фетра при использовании различных типов регуляторов.

Методы исследования.

При получении теоретических результатов использовались основные положения теории автоматического управления, дифференциального исчисления, теоретической электротехники, пневматики. Теоретические результаты в основном подтверждены результатами экспериментальных исследований и имитационного моделирования. При расчетах и моделировании широко использовались численные методы, программирование на языке Turbo Pascal 7.0 и пакет прикладных программ SAU - PC 1.1.

Практическая ценность полученных результатов.

1) Результаты теоретических исследований дают возможность обеспечить дальнейшее совершенствование

технологического оборудования процесса виброформования головных уборов в части повышения его производительности и качества выпускаемых изделий.

2) Созданы технические и научные предпосылки для практической реализации автоматического технологического оборудования для виброформования головных уборов.

3) Основные результаты диссертационной работы используются в промышленности и в учебном процессе Московской Государственной Академии легкой промышленности (МГАЛП).

Апробация работы.

Материалы работы докладывались на Межвузовской Научно-технической Конференции "Современные проблемы текстильной и легкой промышленности* (г.Москва, Май 1998г), IV Всероссийской Научной Конференции: "Динамика процессов и аппаратов химической технологии* (г.Ярославль, Октябрь 1994г), заседаниях кафедры автоматики Московской Государственной Академии легкой промышленности (1995,1998гг). Они опубликованы в сборниках научных трудов МГАЛП и статьях [8,9,43,44,51]. В обсуждении результатов настоящей работы приняли активное участие коллективы кафедр "Автоматики*, "Машин и аппаратов легкой промышленности*, "Теоретической механики и теории механизмов и машин* МГАЛП, которым автор выражает свою искреннюю благодарность и признательность.

Диссертация выполнена под научным руководством профессора кафедры МАЛП, д.т.н. А. Г. Бурмистрова и профессора кафедры Автоматики, к.т.н. A.B. Кочерова.

ГЛАВА 1. ТИПОВОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ВИБРОФОРМОВАНИЯ ГОЛОВНЫХ УБОРОВ КАК ОБЪЕКТ АВТОМАТИЗАЦИИ

1.1. Типовой технологический процесс виброформования головных уборов.

Типовой технологический процесс формования головных уборов включает последовательное выполнение следующих операций: раскрой, сборка, правка (формование), отделка. Операция формования, которая является наиболее трудоемкой, состоит из трех этапов: увлажнения (распаривания) и пролежки, собственно формования, сушки и охлаждения изделия. Все эти этапы как правило выполняются вручную, без применения каких-либо средств автоматизации. Высокая трудоемкость и низкая производительность труда процесса формования приводит к неудовлетворительному качеству изделий и в ряде случаев к необоснованному расходу полуфабриката [32,78].

Проведенный в МГАЛП под руководством профессоров А.Г. Бурмистрова и Е.Х. Меликова комплекс экспериментальных и научных исследований позволил разработать методологию подхода к решению данной проблемы. Была доказана высокая эффективность применения метода вибрационного формования изделий легкой промышленности.

Механизм вибровоздействия заключается в активизации подвижности структурных элементов материалов, снижении внешних и внутренних сил вязкости, что приводит к уменьшению в 4-5 раз усилия формования, ускорению протекания релаксационного процесса и пластической деформации в ма-

териале, более равномерному вытягиванию изделия по площади. Вследствие этого повышается формоустойчивость изделия, снижаются расход сырья и энергозатраты.

Типовая кинематическая схема установки для вибрационного формования изделий [57] представлена на рис. 1.1. Форма-колодка 1, изготовленная из алюминиевого сплава или композиционного материала [51] в виде полой перфорированной полусферы, установлена на штоке вибровозбудителя 3. В качестве вибровозбудителя предложено использовать эксцентриковый или пневматический шариковый (рис.1.7) вибровозбудитель. Вибровозбудитель крепится к штоку силового пневмоцилиндра 5. Для фиксации по периметру края колпака 2 служат восемь клещей 4, установленных на коромысла 6, которые через толкатель 8 и диск 9 соединены с пневмоцилиндром 10. Регулировка 7 необходима для настройки клещей под форму-колодку любого размера.

Установка работает следующим образом. Изделие 2 зажимается за край клещами 4 , при этом форма-колодка 1 находится в нижнем положении. Затем запускается вибровозбудитель 3, пневмоцилиндр 5 вводит форму-колодку внутрь изделия 2 и подвергает его силовому вибровоздействию. Выполняется первый этап операции формования изделия, условием окончания которого является вытягивание колпака и полное повторение им рельефа формы-колодки.

При необходимости на втором этапе пневмоцилиндр 10 поднимает вверх диск 9 с укрепленными на нем толкателями 8, которые через коромысла б заводят одновременно все клещи 4 внутрь колодки и, таким образом, загибают и фиксируют край колпака. Затем изделие высвобождается из клещей, колодка перемещается вверх и снимается с

1

Рис, 1.1. Кинематическая схема типовой установки для виброформования головных уборов.

установки. С помощью специальной оснастки край изделия и рельефы фиксируются на форме-колодке, которая помещается в сушилку.

Наиболее эффективно установка для вибрационного формования работает в условиях, когда частота колебаний вибропривода совпадает с собственной частотой упруго-вязкого звена, характерного для обрабатываемого изделия. Это объясняется тем, что в этом режиме затраты энергии на формование будут минимальными, а скорость формования и достигаемое растяжение исходного материала максимальными. Исследования, проведенные на автоматизированной установке для получения релаксационных спектров кожи [27], показали, что изделия, изготовленные даже из одного типа материала имеют разные собственные частоты. Кроме того собственная частота упругих колебаний обрабатываемого изделия изменяется в процессе самого формования. Поэтому, возникает задача разработки системы автоматического управления оборудованием для виброформования головных уборов.

1.2. Оценка динамических моделей резонансных вибрационных установок и механизмов.

Анализируя кинематическую схему типовой виброустановки (рис. 1.1), когда в качестве привода исполнительного механизма используется шариковый автоколебательный пневматический вибровозбудитель, можно сделать вывод о том, что установка представляет собой двухмассную колебательную систему. Тело, имеющее первую массу, состоит из

Рис. 1.2 Модель двухмассной резонансной системы.

Ахь

Аз"

Ф1

О

со.

Юар <»д

1 г ! 1

) и -«V

Юар Шд

Рис. 1.3. Частотные характеристики тела, к которому приложена вынуждающая сила эксцентрика, в двухмассной системе.

О

0

Юн

I

(О*

ш

д

со,

Рис. 1.4. Частотные характеристики реактивного тела

формы-колодки 1, корпуса пневматического вибровозбудителя 3, поршня силового пневмоцилиндра 5, а таьсже штоков, соединяющих форму-колодку с пневматическим вибровозбудителем, и вибровозбудитель с силовым пневмоци-линдром. Это тело соединяется с неподвижным корпусом установки посредством упруго-вязкого изделия 2, Вторая масса определяется массой шарика 2 пневматического вибровозбудителя (рис. 1.7), которая взаимодействует с первой массой через упругую пружину 3.

Наиболее близкая по своей структуре модель двухмасс-ной системы рассмотрена в работе [12]. Схема этой системы изображена на рис. 1.2. Здесь тела 4 и 8 соединены пружиной 3, жесткость ко