автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Повышение надежности твердосплавного инструмента на основе оптимизации и управления дозированием порошковых компонентов

На правах рукописи

Грибков Андрей Армович

Повышение надежности твердосплавного инструмента на основе оптимизации и управления дозированием порошковых компонентов

Специальность 05.13.06. «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2006

Работа выполнена в на кафедре «Высокоэффективные технологии обработки» (ВТО) Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский государственный технологический университет «СТАНКИН».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Григорьев Сергей Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шварцбург Леонид Эфраимович

Защита состоится 26 октября 2006 г. на заседании диссертационного совета К 212.142.01 в Государственном образовательном учреждения высшего профессионального образования Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» по адресу: 127994, ГСП-4, Москва, Вадковский пер., ЗА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ «СТАНКИН»

Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направить по указанному адресу.

Автореферат разослан 25 сентября 2006 г.

кандидат технических наук, профессор Маханько Александр Михайлович

Ведущее предприятие: Открытое акционерное общество

«ВНИИИНСТРУМЕНТ»

Ученый секретарь диссертационного совета

Тарарин И.М.

Общая характеристика работы

Актуальность работы:

Одной из главных причин снижения надежности твердосплавного режущего инструмента в настоящее время является недостаточная точность дозирования при приготовлении смеси порошковых компонентов. Дозирование смеси компонентов до последнего времени оставалось наименее изученным этапом технологического процесса производства инструмента. Между тем, без высокоточного дозирования невозможно обеспечить соответствие физико-механических свойств твердосплавного материала установленным стандартам качества. В результате снижается надежность твердосплавного инструмента.

Автоматизация порошковой металлургии, в частности производства твердых сплавов, требует создания все более широкой номенклатуры автоматизированных систем дозирования порошковых материалов, повышения точности дозирования. Последнее требование особенно актуально в силу того, что дозирование является базовой технологической операцией, определяющей качество материала и возможность его дальнейшего использования.

Наблюдающийся рост производства высокоточного дозирующего оборудования существенно отстает от увеличения потребности в нем. В значительной мере это связано с отсутствием стройной методики синтеза дозирующих систем, недостаточной проработкой методов повышения точности и производительности дозирования. Кроме того, обширная элементная база дозирующих систем до последнего времени должным образом не была обобщена.

В настоящее время, как в отечественной промышленности, так и за рубежом проблема повышения точности и производительности дозирования решается путем значительного усложнения конструкции и применения дорогостоящих элементов. Это связано с тем, что точность дозирования в современных дозирующих системах резко снижается с повышением производительности. Поэтому для высокопроизводительного точного дозирования приходится использовать элементы с высоким быстродействием и стабильностью параметров. Также возникает необходимость усложнения конструкции дозирующей системы для компенсации возникающих динамических погрешностей. При этом необходимо использовать измерительные устройства,

имеющие одновременно большой диапазон и высокую чувствительность измерения. В силу указанных обстоятельств, сложность и стоимость дозирующих систем чрезвычайно возрастают. ' -"•

Вопрос повышения точности при сохранении высокой производительности в литературе рассматривается недостаточно. В известных работах решение задачи повышения производительности связывается со снижением точности, а решение задачи повышения точности обуславливается снижением требований по производительности. Между тем, в настоящее время в связи с ростом значения дозирования задача повышения точности при сохранении высокой производительности является основной задачей проектирования дозирующих систем.

Поэтому исследования, направленные на повышение точности высокопроизводительного дозирования являются актуальными.

Цель работы:

Повышение надежности твердосплавного инструмента на основе оптимизации конструкции дозирующей системы и управления режимами дозирования па этапе приготовления смеси порошковых компонентов.

Научная новизна диссертационной работы:

В работе впервые получены следующие научные результаты:

1. Для повышения надежности твердосплавного инструмента разработана методика поэтапного дозирования, заключающаяся в оптимальном разбиении дозирования порции сыпучего материала на этапы с определенной длительностью и интенсивностью подачи материала;

2. Предложен критерий оптимизации «приведенная погрешность времени дозирования», характеризующий точность элементов дозирующей системы для двух основных типов поэтапного дозирования (весового и объемно-весового);

3. Построена математическая модель дозирования, позволяющая находить оптимальный режим при заданной производительности, точности дозирования и установленных ограничениях на величину и характер регулирования интенсивности подачи материала.

Общая методика исследований:

Поставленные в работе задачи решались методами аналитических, численных и экспериментальных исследований. В работе использованы научные основы технологии машиностроения, оптимизации процессами, материаловедения и теории резания материалов, а также современные методики и оборудования для исследования физико-механических характеристик твердосплавного инструмента.

Практическая ценность работы:

1. Использование разработанной технологии поэтапного дозирования при производстве твердосплавного инструмента обеспечивает повышение надежности инструмента за счет уменьшения в 1,5 раза среднеквадратичного о тклонения наработки до отказа;

2. Создано семейство дозаторов поэтапного действия, наилучшим образом удовлетворяющих требованиям высокоточного дозирования порошковых компонентов твердых сплавов;

3. Получены зависимости и приведены практические рекомендации для различных случаев дозирования, которые могут быть использованы при решении конкретных задач синтеза дозирующих систем и оптимизации режима их работы.

4. Создана программа ОптДоз, позволяющая выполнять для заданного технического задания автоматический расчет оптимального режима дозирования, обеспечивающего повышение производительности, точности, надежности дозирования, а также снижешк требований к точности элементов дозирующей системы.

Апробация работы:

Результаты работы были доложены на заседаниях кафедры Высокоэффективные технологии обработки МГТУ «СТАНКИН», Всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве — 2006» в Воронежском государственном техническом университете, 5-ой Всероссийской юбилейной научно-практической конференции в Алтайском государственном техническом университете (г. Бийск), а также на рабочем совещании на Московском инструментальном заводе. -

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ и получен патент на изобретение.

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и содержит 123 страниц текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований.

1-я глава. В 1-ой главе проводится анализ роли дозирования смесей порошковых компонентов в технологии производства твердосплавного инструмента. На рис.1 показана модульная схема технологии производства твердосплавного инструмента. Начальной стадией этого производства является дозирование смеси компонентов. Если точность дозирования недостаточна, никакая дальнейшая обработка, даже самая высокоэффективная, не позволит обеспечить требуемые потребительские характеристики режущего твердосплавного инструмента. Поэтому решение задачи производства надежного и долговечного твердосплавного инструмента невозможно без оптимизации дозирования на этапе приготовления смеси порошковых компонентов.

порошковые компоненты

режущий инструмент Рис. 1. Этапы производства твердосплавного режущего инструмента

В 1-ой главе также рассматриваются и систематизируются известные пути повышения точности и производительности дозирования порошковых материалов и формулируются теоретические подходы к созданию нового метода повышения точности и производительности дозирования — метода поэтапного дозирования.

До настоящего времени теоретический анализ дозирующих систем осуществлялся посредством описания структуры различных групп дозирующих систем, в частности, весовых дозаторов (дискретного и непрерывного действия), дозаторов непрерывного действия (с различными критериями дозирования) и др. В числе наиболее авторитетных специалистов в области теории дозирования следует выделить Ю.В. Виденеева, ИЛ. Гроссмана, A.B. Ката-лымова, В.А. Любартовича, Е.Г. Исааковича.

В результате анализа, обобщения и развития существующих теоретических представлений теории дозирования можно сформулировать несколько базовых методов повышения точности и производительности измерения и дозирования:

1. Погрешности элементов дозирующих систем могут взаимно компенсироваться. Кроме того, доя компенсации погрешностей дозирующих систем могут вводиться специальные элементы — компенсаторы, позволяющие компенсировать погрешности от нагрузок, от температурных воздействий и т. д.

Первым базовым направлением повышения точности и производительности является выбор таких элементов дозирующей системы, погрешности которых взаимно компенсируются.

Наиболее распространенным методом взаимной компенсации погрешностей является метод автоматической коррекции нелинейности. Этот метод основан на взаимной компенсации нелинейности элементов дозирующей системы. Центральным вопросом данного метода является такой выбор элементов и схемы их соединения, чтобы имела место компенсация нелинейности. Указанная нелинейность может проявляться в результате действия нагрузки или изменения температуры механической системы, нелинейности электрических сопротивлений, индуктивностей, пьезо- и сегнетоэлектриче-ских эффектов и т.д.

Другим широко используемым методом компенсации погрешностей дозирующих систем является метод отрицательной обратной связи. Любая дозирующая система, включающая в себя три класса модулей (питатели, измерительное устройство (ИУ), устройство управления подачей (УУП)), является системой с отрицательной обратной связью. В такой дозирующей системе (ДС) результат измерения величины расхода или дозированной массы (объема) сравнивается с номинальным (заданным) значением и па основании результата сравнения осуществляется управление подачей. В случае непрерывного дозирования связь производит непрерывное или дискретное управление расходом. При порционном дозировании управление в основном сводится к выключению подачи материала при достижении порции заданной величины.

2. Чем меньше расход или масса материала, тем с меньшей абсолютной погрешностью они могут быть измерены или воспроизведены при том же уровне точности дозирующей системы. Иначе говоря, относительная погрешность измерения и дозирования мало зависит от величины расхода или массы материала.

Вторым базовым направлением повышения точности и производительности дозирования является уменьшение абсолютной величины контролируемой массы или расхода, при сохранении репрезентативности измерения (под репрезентативностью подразумевается, что по результатам измерения малой массы или малого расхода можно однозначно судить о полной массе дозируемой порции или о полном расходе). Указанная репрезентативность измерения должна быть обеспечена конструкцией дозатора.

Можно выделить несколько наиболее известных методов.

Достаточно эффективным является метод многодиапазонного измерения. Использование метода многодиапазонного измерения обусловлено невозможностью обеспечения одновременно малой абсолютной погрешности измерения и большого диапазона измерения. В простейшем случае средство мпогодиапазошюго измерения включает в себя устройство для установки начала отсчета и высокоточное измерительное устройство с малым диапазоном измерения.

Метод сравнения во многом сходен с методом многодиапазонного измерения. Во многих случаях метод многодиапазонного измерения является ча-

стным случаем метода сравнения. Суть метода сравнения заключается в том, что определяется не абсолютная величина измеряемого параметра контролируемого объекта, а разность измеряемых параметров контролируемого объекта и образца (вспомогательного объекта). Метод сравнения имеет очень широкое примените при дозировании порошковых компонентов твердых сплавов. В некоторых случаях без метода сравнения высокоточное измерение становится практически невозможным. В частности, основная часть оптических и физико-механических детекторов состава порошкового материала, используемых при производстве твердых сплавов построены на базе метода сравнения.

Снижение погрешности дозирования, уменьшение веса и габаритных размеров дозатора может быть достигнуто, если заданную дозу отрабатывать как сумму п порций. При этом в задание последней порции вводится поправка с учетом суммарной погрешности дозирования всех предыдущих порций. В этом заключается суть метода суммирования порций. Данный метод широко используется в производстве твердых сплавов при порционном дозировании смесей порошков, предшествующем их формовке и последующему спеканию.

3. Поскольку в правильно спроектированной дозирующей системе основную часть погрешности составляют случайные погрешности, то усреднение результатов дозирования или измерения позволяет обеспечить повышение их точности и достоверности.

Третьим базовым направлением повышения точности и производительности дозирования является усреднение результатов дозирования и измерения.

При непрерывном дозировании широко используется метод разделения потока материала. Дозаторы с разделением потока материала имеют два рабочих органа, через один из которых выдается основная нерегулируемая часть потока, а через второй — малая автоматически регулируемая часть потока. В последние годы этот метод получил некоторое распространение в качестве способа повышения равномерности подачи материала при порционном дозировании.

Определенный интерес представляет также метод многократных измерений и метод интегрирования. Уменьшение случайной составляющей погреш-

ности измерения в данном методе основано на статистической обработке результатов многократных измерений. Значительно увеличивая число измерений, удаётся заметно уменьшить случайную погрешность. Создание быстродействующих цифровых приборов и микропроцессорных комплексов позволяет решать такие задачи. Одновременное повышение посредством этого метода точности и быстродействия ограничивается лишь общим законом взаимосвязи параметров измерительного устройства.

Метод интегрирования основан на использовании устройств, интегрирующих расход: ресиверов, промежуточных емкостей, бункеров, проходя через которые поток дозируемого материала уменьшает свою неравномерность. В интегрирующих устройствах происходит накопление материала, поэтому даже при поступлении материала в интегрирующее устройство с большой неравномерностью выпуск материала происходит равномерно. Метод интегрирования имеет наибольшую эффективность при непрерывном дозировании, т.к. порция всегда есть интегральная сумма интенсивности подачи материала во время дозирования порции.

Таблица 1.

Методы повышения точности и производительности дозирования

Базовое направление Частные методы повышения точности и производительности дозирования

Взаимная компенсация погрешностей ДС — метод автоматической коррекции нелинейности (компенсация температурной погрешности и непостоянства усилия); — метод отрицательной обратной связи

Уменьшение контролируемой массы или расхода — метод сравнения и метод многодиапазокного измерения; — метод суммирования порций; — метод разделения потока материала (для непрерывного дозирования)

Усреднение результатов дозирования и измерения - метод многократных измерений; - метод интегрирования

Известные методы повышения точности и производительности (см. табл.1), несмотря на несомненные преимущества их использования, не по-

зволяют решить главную задачу повышения точности и производительности без значительного усложнения и удорожания конструкции. Особенно сложной оказывается задача повышения точности высокопроизводительного дозирования.

Исходя из второго базового направления повышения точности и производительности, можно предложить новый метод — метод поэтапного дозирования. На базе этого метода разрабатывается технология поэтапного дозирования, сущность которой может быть выражена следующим образом:

1. Процесс дозирования разбивается на этапы, причем на каждом последующем этапе дозируется меньшая часть порции с меньшей интенсивностью подачи материала, а значит погрешность дозирования на последующих этапах меньше, чем на предыдущих (по абсолютной величине). Масса последующей части должна быть заведомо больше погрешности дозирования предыдущей части.

2. Схема проектируемого дозатора должна быть выбрана таким образом, чтобы погрешность дозирования каждого этапа компенсировалась на последующем этапе. В этом случае заданная точность обеспечивается на последнем (чистовом) этапе путем предельно возможного уменьшения массы материала, дозируемого на нем, и уменьшения подачи материала.

2-я глава. Во второй главе рассмотрена новая технология поэтапного дозирования и выявлены критерии ее разработки, важнейшими из которых являются обеспечение связи между этапами дозирования и компенсация погрешностей предыдущих этапов на последующих.

Схему компенсации погрешностей при поэтапном дозировании (рис.2) можно представить через поля допусков. Дозирование разбито на три этапа, при этом абсолютная погрешность первой части процесса составляет Д1, второй — Д2, третьей — Д3. В результате дозирования первой части погрешность составила —Д]. Поскольку имеется связь между этапами дозирования (реализуемая конструкцией специально спроектированного дозатора), то при дозировании второй части произойдет смещение центра распределения величины второй части на величину +Дь то есть величина второй части будет заведомо, на величину Дь больше своей номинальной величины (смещение центра распределения показано на рисунке стрелкой). Картина компенсации погрешностей на третьем этапе аналогична второму этапу. В результате погрешность дозирования всей массы определяется только погрешностью последней, третьей части, и равна Дз.

+А,

О

-А,

Рис. 2. Схема компенсации погрешностей дозирования

Таким образом, относительная погрешность дозирования определяется абсолютной погрешностью дозирования па последнем этапе. Абсолютная погрешность па этом этапе, в свою очередь, зависит от величины дозируемой массы и от качества элементов дозирующей системы. Следовательно, даже нри невысоком качестве элементов дозирующей системы можно обеспечить малую абсолютную погрешность за счет уменьшения массы, дозируемой на последнем этапе, и соответствующего увеличения числа этапов дозирования. Это число зависит от общей дозируемой массы, допускаемой абсолютной погрешности и от возможностей элементов дозирующей системы.

Разбиение процесса дозирования на несколько этапов не приводит к потере производительности. Ввиду того, что требования точности дозирования на первом (черновом) этапе, на котором дозируется основная часть массы, пиз-кие, то можно за счет применения высокопроизводительных, но невысокоточных дозирующих устройств обеспечить высокую производительность всего дозирования.

Необходимость разбиения дозирования на этапы вызывает изменение схем дозаторов. Для случая раздельного весового дозирования компонентов эти изменения выражаются в необходимости использования в общем случае нескольких связанных между собой преобразователей силы (например, весовых механизмов), а также в использовании многорежимных устройств управления подачей (УУП).

+Лз

1Т1

+д2

о—

-д2

1Т2

Рис. 3. Модульная схема дозаторов поэтапного действия

Па модульной схеме (рис.З) общего случая дозатора поэтапного действия приведена схема параллельно-последовательного соединения весовых механизмов (ВМ), соединенных с регулирующими устройствами (РУ). Частными случаями параллельно-последовательного соединения ВМ являются:

1. Параллельное соединение весовых механизмов, когда они воспринимают вес дозируемого материала независимо друг от друга;

2. Последовательное соединение весовых механизмов, когда каждый весовой механизм воспринимает только вес материала, дозируемого на соответствующем ему этапе;

3. Единственный весовой механизм, позволяющий отслеживать несколько значений веса дозируемого материала.

Отдельную группу среди дозаторов поэтапного действия составляют дозаторы объемно-весового дозирования. В этих дозаторах на первом этапе материал отмеривается объемным методом. Для сыпучих материалов по-

грешность объемного дозирования на первом этапе оказывается значительной (до 10—15 % масс.). При наличии связи между этапами дозирования погрешность 1-го, объемного этапа, может быть компенсирована на последующем весовом этапе дозирования. При допустимой погрешности дозирования свыше 0,5% объемно-весовое дозирование позволяет повысить производительность по сравнению с поэтапным весовым дозированием.

3-я глава. В третьей главе поставлена задача и определены критерии оптимизации режима поэтапного дозирования; показана возможность однозначного решения задачи оптимизации для случая весового и объемно-весового дозирования.

Оптимальное дозирование представляет собой технологический процесс, обеспечивающий отвешивание (отмеривание) материала с максимальной или заданной'производительностью (для порционного дозирования) и точностью при минимальной сложности оборудования (дозирующей системы). Оптимизация дозирования заключается в повышении его качества без существенного усложнения и удорожания конструкции дозатора. Это становится возможным благодаря использованию методов повышения точности и производительности дозирования, в частности, метода поэтапного дозирования.

Оптимизацию порционного дозирования можно условно разделить на три стадии: на первой стадии осуществляется предварительный модульный синтез оптимальной дозирующей системы на основе технического задания; на второй стадии реализуется структурная коррекция дозирующей системы с использованием различных методов повышения точности и производительности дозирования; на третьей стадии производится определение оптимального режима дозирования.

Для случая поэтапного дозирования режим дозирования определяется интенсивностью и продолжительностью подачи материала на каждом из этапов дозирования, а также числом этапов дозирования. Задача оптимизации режима поэтапного дозирования может быть сформулирована двояко:

1. Нахождение такого режима, который при заданных допустимой погрешности и известных характеристиках элементов дозирующей системы обеспечивает максимальную производительность.

2. Нахождение такого режима, который при заданных допустимой погрешности и производительности дозирования требует наименьшей точности элементов дозирующей системы.

В первом случае критерием оптимизации является производительность дозирования, и оптимизация направлена на се максимизацию; во втором случае критерием оптимизации является точность элементов дозирующей системы, и оптимизация направлена на ее минимизацию.

Для определения точности элементов дозирующей системы автором вводится новая характеристика, - приведенная погрешность времени дозирования К.

Приведенная погрешность времени дозирования — предлагаемая характеристика точности элементов дозирующей системы - тем ниже, чем выше точность элементов. Кроме того, приведенная погрешность времени дозирования зависит от непостоянства физико-механических свойств дозируемого материала. Величина К определяется следующим образом:

К = У1(а-А11)2+(Ы2)2+ (Дг3)2 , (1)

где а = ; (2пе.р — средняя интенсивность подачи материала за время

а в

переключения подачи при условии постоянства интенсивности подачи материала ; А/] — максимальная погрешность времени срабатывания устройства управления подачей материала; Д/2 — погрешность измерения величины дозы, выраженная в единицах времени; Д/3— выраженное в единицах времени непостоянство количества материала между питателем и грузоприем-ным устройством (например, емкостью):

А'з=-^-> (2)

где ДМ — максимальная погрешность массы материала между питателем и грузоприемным устройством.

Величина К примерно одинакова для всех этапов дозирования, что обуславливает удобство ее использования. Изменения величины К, как показали исследования, пе превышают 3-5%.

В результате проведенных исследований получены рабочие формулы для различных случаев дозирования. Рассмотрены многочисленные примеры.

В частности, при оптимизации режима дозирования по критерию производительности без ограничений на интенсивность подачи материала справедливы следующие приближенные зависимости (в диссертации получены как приближенные, так и точные зависимости):

где Т1,Т2,...Тп — продолжительности дозирования на 1-ом, 2-ом и последующих этапах и-этапного дозирования; М — величина дозируемой массы; К — приведенная погрешность времени дозирования; С — коэффициент запаса по компенсации погрешности (С = 2 + 3); — интенсивности дозирова-

ния на ¿-ом и на последнем этапе; Дд — допустимая абсолютная погрешность дозирования.

При оптимизации по критерию К без ограничений на интенсивность подачи материала справедлива следующая зависимость:

где — заданная продолжительность дозирования порции; <?., — допустимая относительная погрешность дозирования.

Для определения интенсивности подачи и продолжительности дозирования материала на этапах используются зависимости (3) - (5).

4-я глава. В четвертой главе содержатся 20 иллюстративных примеров расчета оптимального режима дозирования для всех основных случаев оптимизации. В частности, на конкретных числовых примерах показана последовательность выполнения оптимизации по критерию производительности и по критерию минимизации точности элементов дозирующей системы для раз-

ТхяТ2...*Тп

т = и = 1, 2,3, 4, (5)

(6)

личного числа этапов дозирования и различных ограничениях на интенсивность подачи материала.

Целью данной главы является, во-первых, демонстрация алгоритма выполнения оптимизации, которая на практике будет выполняться автоматически посредством авторской программы ОптДоз, и, во-вторых, проверка точности работы программы ОптДоз, которая может быть осуществлена сравнением результатов оптимизации в рассмотренных числовых примерах и результатов работы программы.

5-я глава. Расчет оптимального режима дозирования представляет собой весьма трудоемкую задачу. С целью упрощения работы с предлагаемой методикой оптимизации дозирования автором создана программа ОптДоз, предназначенная для автоматизации расчета.

Предлагаемая программа предназначена для проведения расчета, направленного на получение оптимального режима дозирования материалов. Рассматривается два подхода к оптимизации дозирования.

Первый (мы назвали его «Минимизация времени дозирования», см. рис.4) направлен на то, чтобы определить значения интенсивностей и продолжи-тельностей дозирования на каждом из этапов, которые обеспечивают минимальное суммарное время дозирования.

• :.И««вНЫв ДЛННШ*

: | .' -л. Дмкраемао массе Екг} -• * <

|::{ 7 '.......' £ £ .

временная погреаиост*.

4 ДОМММДОШрОбвИ)-

Хдаффицмвиг мгиеа г»

:;>.омтпеаи*< пвфеыност 52-3) :

'■■. ДйЗ>»г-»пвм йсвирсввимв ;о л-.-;

:1 2'*Т.*1

. Чвмцжк«*»» дгии^ммвммк •; '¿Чу

:: :::'мтврви>* э-э" ¿этап : '^з-а-- «этап':

, |—- с

'Г

Т

У1п( »1

Сум

': Г'АГ.ЧЛПТ*.

---------,-. 1 Я! ЯГ* ?>ТЧП

Й Р1:

1Г

т

]!------I- .

Амжмгям

' 11 .^Пршолжигвп^оетъЙ'' итераций И*Г№<и«1*1СТЪ года1« ¡Г.г/-| ........... ■

Рис.4. Минимизация времени дозирования

Второй подход (мы назвали его «Минимизация точности элементов дозирующей системы», см. рис.5) состоит в определении необходимой точности элементов дозирующей системы (характеризуемой приведенной погрешностью времени дозирования К), необходимой для обеспечения заданной производительности дозирования. Исходя из полученного значения К производится определение интенсивностей подачи материала и продолжительности дозирования на этапах. Рассматривается дозирование в два, три и четыре этапа.

¿101*1

, Истонммииы« 4 - - - - - -- •- - ,

| Девиза!*«« »асе« [г

5 | Допустимагг погрешность

, ............ £ремядезироеамядээы(с)

.1 |3 : КсвффКЦИйНГ &вЯ6£8

:.■ •:.], •::] Прмееоенная погрешность еоемк-м йозйсюмний К 1с1.:.;

г? Ч^одвевт-вгиое «ииротвийг-^ ' I"»—■—' Лнсмещдгпагрешность:-:

. времени дозироминя К. {е|. ,4 .. 2 ч 'Г,'■/•■ РрВДйРтИГейЬНЖТЬ.^с}. 1чтги 2ттвп Зэтвп 4 этап'1:

I—1—I—Г~~1

4 ЗмвГЬ.

г 1 »та* • 2 »тал <

I-(-

Проввяжигед^Ие*» (с). •;■ .г; •• . Нмгенсиейос1ь-г)йдач»({>1Г/в)-: •

01 {

• Имгемеданосте гввизд» (кг/с) .с :•::-:.:;

3>?вп 4 Ат««

=11-г—1-

■ Рвс-мгать втгимйяьлгй режим :

хгТреиэт-апмоемэири » щ

И- I" ...........Примквннвя ПОП"81»1«Н?)ОТЬвремВ«1+: ~ Г"

; ллшмвашл £ . .'. I...

.• дозирования К {с1 •• , 1 ят«о г «та 3«г

Днжфа игер-эчиЗ ...

г—[г

Пр№ОЛЖМГ№1ы«С№ (Г)

Нигенеие *к*гть пола V ь^/с!

■■ Сясавкв- >

Рис.5. Минимизация точности элементов дозирующей системы

6-я глава. В шестой главе приведены результаты практических исследований влияния точности дозирования порошковых компонентов (на этапе приготовления смсси) на надежность твердосплавного инструмента. Были исследованы 2 группы трехзубых резьбонарезных пластин (по 20 пластин в каждой группе) из твердого сплава ВКбОМ.

При изготовлении первой (контрольной) группы пластин приготовление смеси осуществлялось обычным весовым дозатором. При заданной производительности Q = 15 кг/мин погрешность дозирования каждого из компонентов составила 0,2%. При изготовлении второй группы пластин приготовление смеси выполнялось с помощью поэтапного дозирования. Благодаря этому

при сохранении производительности удалось снизить погрешность дозирования каждого из компонентов до 0,1%.

В ходе исследования осуществлялась оценка надежности резьбонарезных пластин при нарезании резьбы на заготовках из стали 20 со скоростью резания V = 120 м/мин, я = 5,08, количеством заходов р = 3. Критерием отказа резьбонарезной пластины был принят износ по задней поверхности к3 = 0,3 мм.

В результате проведенных испытаний пластин было установлено, что резьбонарезные пластины, при изготовлении которых использовалось поэтапное дозирование, имеют в 1,5 раза меньший среднеквадратичный разброс наработки до отказа по сравнению с контрольной группой пластин. Кроме того, наблюдалось небольшое увеличение среднего числа обработанных деталей до отказа.

наработка п, ппук

Рис.6. Плотность р (и) распределения наработки до отказа резьбонарезных пластин, изготовленных с использованием обычного весового и поэтапного дозирования

По результатам исследований был построен график (см. рис.6), наглядно демонстрирующий значительное уменьшение разброса наработки до отказа резьбонарезных пластин в случае использования при их производстве поэтапного дозирования порошковых компонентов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Анализ работы твердосплавного инструмента показал, что одной из основных причин снижения надежности инструмента является недостаточная точность дозирования при приготовлении смеси порошковых компонентов.

Для повышения надежности твердосплавного инструмента разработана методика поэтапного дозирования, заключающаяся в разбиении дозирования порции сыпучего материала на этапы с определенной длительностью и интенсивностью подачи материала, причем на первом этапе интенсивность подачи материала максимальна и выдается основная часть дозы.

Построена математическая модель дозирования, позволяющая находить оптимальный режим при заданной производительности, точности дозирования и установленных ограничениях на величину и характер регулирования интенсивности подачи материала.

Создана новая технология поэтапного дозирования, включающая в себя методику оптимизации режима дозирования и семейство дозаторов поэтапного действия для практической реализации найденного оптимального режима.

Использование разработанной технологии поэтапного дозирования при производстве твердосплавного инструмента обеспечивает повышение надежности инструмента за счет уменьшения в 1,5 раза среднеквадратичного отклонения наработки до отказа и некоторого увеличение ее среднего значения.

Для практического применения метода поэтапного дозирования автором создана программа ОптДоз для автоматического определения оптимального режима дозирования для всех основных случаев оптимизации.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Грибков А А. и др. Патент РФ № 2110773 (весовой автоматический дозатор), 1998

2. Грибков А.А. Новый подход к структуре дозирующих систем // Законодательная и прикладная метрология, №3, 2001, с.71—75

3. Грибков А.А. Оптимизация поэтапного объемно-весового дозирования // Законодательная и прикладная метрология, №5, 2002, с.32-36

4. Григорьев С.Н., Грибков Л.А. Поэтапное дозирование порошков при производстве режущих пластин из твердых сплавов // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве, Всероссийская научно-техническая конференция, 2006, с.96-97

5. Григорьев С.Н., Грибков А.А. Оптимизация технологии поэтапного объемно-весового дозирования // Техника и технология, №5, 2006, с.68-72

6. Григорьев С.Н., Грибков А.Л. Оптимизация точности элементов дозирующей системы // Техника и технология, №5, 2006, с.73-79

7. Григорьев С.Н., Грибков А.А. Оптимизация технологии дозирования порошков при производстве твердосплавных пластин // Ресурсосберегающие технологии в машиностроении, 5-я Всероссийская юбилейная научно-практическая конференция, 20-22 сентября, 2006, с. 81-87

Подписано в печать 25.09.2006

Формат 60x90'/i6 Бумага 80 гр/м2 Гарнитура Times

Объем 1,25 пл. Тираж 50 экз. Заказ № 181

Отпечатано в Издательском Центре ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» Лицензия на издательскую деятельность ЛР №01741 от 11.05.2000 127055, Москва, Вадковский пер., д.За

Введение

1. Анализ современного состояния проблемы, постановка цели и задач исследований

1.1. Надежность твердосплавного инструмента и точность дозирования при его производстве.

1.2. Базовые направления повышения точности и производительности измерения и дозирования

1.3. Частные методы повышения точности и производительности измерения и дозирования.

1.4. Выводы.

2. Основы технологии поэтапного дозирования

2.1. Новая технология поэтапного дозирования.

2.2. Основные положения метода поэтапного дозирования.

2.3. Синтез дозаторов поэтапного действия.

2.4. Семейство дозаторов поэтапного действия.

2.5. Выводы.

3. Оптимизация режима поэтапного дозирования

3.1. Постановка задачи и критерий оптимизации режима поэтапного дозирования.

3.2. Оптимизация режима поэтапного весового дозирования.

3.3. Оптимизация режима поэтапного объемно-весового дозирования.

3.4. Сравнительный анализ поэтапного и одноэтапного дозирования.

3.5. Выводы.

4. Иллюстративные примеры 95 4.1. Оптимизация весового дозирования по критерию производительности

4.2. Оптимизация весового дозирования по критерию К.

4.3. Оптимизация объемно-весового дозирования по критерию производительности.

4.4. Оптимизация объемно-весового дозирования по критерию К.

5. Программа ОптДоз для расчета оптимального режима дозирования

6. Повышение надежности резьбонарезных пластин 108 Заключение

Одной из главных причин снижения надежности твердосплавного режущего инструмента в настоящее время является недостаточная точность дозирования при приготовлении смеси порошковых компонентов. Дозирование смеси компонентов до последнего времени оставалось наименее изученным этапом технологического процесса производства инструмента. Между тем, без высокоточного дозирования невозможно обеспечить соответствие физико-механических свойств твердосплавного материала установленным стандартам качества. В результате снижается надежность твердосплавного инструмента.

Автоматизация порошковой металлургии, в частности производства твердых сплавов, требует создания все более широкой номенклатуры автоматизированных систем дозирования порошковых материалов, повышения точности дозирования. Последнее требование особенно актуально в силу того, что дозирование является базовой технологической операцией, определяющей качество материала и возможность его дальнейшего использования.

Наблюдающийся рост производства высокоточного дозирующего оборудования существенно отстает от ^величенияпотребности в нем. В значительной мере это связано с отсутствием стройной методики синтеза дозирующих систем, недостаточной проработкой методов повышения точности и производительности дозирования. Кроме того, обширная элементная база дозирующих систем до последнего времени должным образом не обобщена.

В настоящее время, как в отечественной промышленности, так и за рубежом проблема повышения точности и производительности дозирования решается путем значительного усложнения конструкции и применения дорогостоящих элементов. Это связано с тем, что точность дозирования в современных дозирующих системах резко снижается с повышением производительности. Поэтому для высокопроизводительного точного дозирования приходится использовать элементы с высоким быстродействием и стабильностью параметров. Также возникает необходимость усложнения конструкции дозирующей системы для компенсации возникающих динамических погрешностей. При этом необходимо использовать измерительные устройства, имеющие одновременно большой диапазон и высокую чувствительность измерения. В силу указанных обстоятельств сложность и стоимость дозирующих систем чрезвычайно возрастают [11]; [17].

Вопрос повышения производительности дозирования заданной точности в литературе рассматривается недостаточно. В известных работах [3]; [16]; [35] решение задачи повышения производительности связывается со снижением точности, а решение задачи повышения точности обуславливается снижением требований по производительности. Между тем, в настоящее время в связи с ростом^нален^доз11рования задача повышения точности при сохранении высокой производительности является основной задачей проектирования дозирующих систем.

На основании вышеизложенного была сформулирована основная цель работы, которая заключается в повышении надежности твердосплавного инструмента на основе оптимизации конструкции дозирующей системы и управления режимами дозирования на этапе приготовления смеси порошковых компонентов.

В работе впервые получены следующие научные и практические результаты:

- Для повышения надежности твердосплавного инструмента разработана методика поэтапного дозирования, заключающаяся в оптимальном разбиении дозирования порции сыпучего материала на этапы с определенной длительностью и интенсивностью подачи материала;

- Предложен критерий оптимизации «приведенная погрешность времени дозирования», характеризующий точность элементов дозирующей системы для двух основных типов поэтапного дозирования (весового и объемно-весового);

- Построена математическая модель дозирования, позволяющая находить оптимальный режим при заданной производительности, точности дозирования и установленных ограничениях на величину и характер регулирования интенсивности подачи материала.

- Использование разработанной технологии поэтапного дозирования при производстве твердосплавного инструмента обеспечивает повышение надежности инструмента за счет уменьшения в 1,5 раза среднеквадратичного отклонения наработки до отказа;

- Создано семейство дозаторов поэтапного действия, наилучшим образом удовлетворяющих требованиям высокоточного дозирования порошковых компонентов твердых сплавов;

- Получены зависимости и приведены практические рекомендации для различных случаев дозирования, которые могут быть использованы при решении конкретных задач синтеза дозирующих систем и оптимизации режима их работы.

- Создана программа ОптДоз, позволяющая выполнять для заданного технического задания автоматический расчет оптимального режима дозирования, обеспечивающего повышение производительности, точности, надежности дозирования, а также снижение требований к точности элементов дозирующей системы.

Результаты работы были доложены на заседаниях кафедры Высокоэффективные технологии обработки МГТУ «СТАНКИН», Всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве — 2006» в Воронежском государственном техническом университете, 5-ой Всероссийской юбилейной научно-практической конференции в Алтайском государственном техническом университете (г. Бийск), а также на рабочем совещании на Московском инструментальном заводе.

По теме диссертации опубликовано б печатных работ и получен патент на изобретение.

Автор выражает благодарность научному руководителю работы заведующему кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» профессору, д.т.н. С.Н. Григорьеву, а также преподавателям и сотрудникам кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» за помощь, оказанную при выполнении работы.

3.5. Выводы

1. В данной главе изложена методика оптимизации режима поэтапного дозирования. Установлено, что возможны два направления оптимизации: оптимизация по критерию производительности и оптимизация по критерию К (приведенной погрешности времени дозирования), отражающему точность элементов ДС;

2. Показана возможность однозначного решения задачи оптимизации по обоим критериям для случая весового и объемно-весового дозирования; Р

3. Произведено сравнение весового и объемно-весового поэтапного дозиро- ) вания, в результате чего очерчено возможное разграничение областей их ' применения. В частности, выявлена эффективность трехэтапного объемно-весового дозирования по сравнению с поэтапным весовым дозированием при допустимой погрешности свыше 0,5%. В остальных случаях поэтапное весовое дозирование предпочтительней.

4. Иллюстративные примеры

4.1. Оптимизация весового дозирования по критерию производительности

Оптимизация без ограничения интенсивности подачи

Пример №1. Два этапа дозирования. Пусть дозируемая масса М = = 10 кг, абсолютная допускаемая погрешность Ад = 0,01 кг, приведенная погрешность времени дозирования К — 0,1 с, коэффициенте запаса по компенсации погрешности С = 3. Проведем оптимизацию вначале точно, затем приближенно, а потом сравним полученные результаты.

Интенсивность подачи материала на втором этапе определяется из допустимой погрешности дозирования и приведенной погрешности времени дозирования (см. 33): Q2 = 0,1 кг/с.

Время дозирования на первом этапе (см. 35) Ti = 5,18 с.

Время дозирования на втором этапе (см. 34) Т2 = 5,48 с.

Интенсивность дозирования на первом этапе (см. 37): Qi = 1,83 кг/с.

Проведем теперь оптимизацию приближенно (см. 36, 37): Т = 5,48 с, Qi = = 1,73 кг/с.

При точной оптимизации суммарное.время составило Ti+T2 — 10, при

Как можно заметить, результаты достаточно близкие, а значит, приближенный метод оптимизации вполне может быть использован.

Пример №2. Три этапа дозирования. Пусть условия те же, что и в примере 1, но п = 3. Проведем вначале точную оптимизацию. Интенсивность подачи материала на третьем этапе будет (38): Q3 = 0,1 кг/с. Для определения интенсивности подачи материала на первом этапе необходимо решить уравнение (42):

Используем метод итераций Ньютона (или программу EqSolver, см. диск):

7 & приближенной оптимизации 2Т = 10,95 с. (Qi) = Qi ~ 111Д Qi + з,з = о. ч> (Qi) = Q1 f(Qi) =n Qi -111,1 Qi + з,з

Qi) 4/1 4Q!-iii,i '

Заключение

На основе исследований, проведенных в данной работе, могут быть сформулированы следующие основные выводы:

1. Анализ работы твердосплавного инструмента показал, что одной из основных причин снижения надежностр^инструмента является недостаточная точность дозирования при приготовлении смеси порошковых компонентов;

2. На основе известных методов повышения точности и производительности измерения и дозирования автором выявлены три базовых направления, одно из которых положено в основу нового, поэтапного метода дозирования. Этот метод позволяет повысить точность высопроизводительного дозирования сыпучих компонентов при производстве твердых сплавов и в результате повысить надежность твердосплавного инструмента;

3. Метод поэтапного дозирования реализуется посредством новой технологии. В рамках разработки данной технологии найдены режимы дозирования и определены технические средства для ее реализации, выявлены достоинства и недостатки различных типов дозаторов поэтапного действия. Исследования показали возможность однозначного решения задачи оптимизации по критерию производительности и по критерию приведенной погрешности времени дозирования (характеризующей точность элементов дозирующей системы) для двух основных типов поэтапного дозирования (весового и объемно-весового);

4. На многочисленных примерах продемонстрирована высокая эффективность предлагаемой технологии, позволяющей многократно повысить производительность точного дозирования;

5. Технологию поэтапного дозирования рекомендуется применять при высоких требованиях к точности, причем чем выше требования по точности, тем выше ее эффективность. При допустимой погрешности свыше 2% для весового дозирования и 3,5% для объемно-весового дозирования использование предлагаемой технологии нецелесообразно;

6. Сравнение весового и объемно-весового дозирования, проведенное в работе, позволило очертить возможное разграничение областей их применения. В частности, выявлена эффективность трехэтапного объемно-весового дозирования по сравнению с поэтапным весовым дозированием при допустимой погрешности свыше 0,5%. В остальных случаях поэтапное весовое дозирование предпочтительней;

7. Исследования показали, что дальнейшее увеличение числа этапов дозирования до четырех-пяти нерационально, так как это связано с повышением требований к быстродействию систем автоматики. Указанные требования вызывают усложнение и удорожание конструкции, а в некоторых случаях не могут быть удовлетворены при современном уровне измерительной техники и автоматики;

8. Использование разработанной технологии поэтапного дозирования при производстве твердосплавного инструмента обеспечивает повышение надежности инструмента за счет уменьшения в 1,5 раза среднеквадратичного отклонения наработки до отказа и некоторого увеличение ее среднего значения;

9. Для практического применения метода поэтапного дозирования автором создана программа ОптДоз для автоматического определения оптимального режима дозирования для всех основных случаев оптимизации.

1. Аш Ж. с соавторами. Датчики измерительных систем. Кн. 1, 2. Москва, Мир, 1992.

2. Ваня Я. Анализаторы газов и жидкостей. Москва, Энергия, 1970.

3. Видинеев Ю.Д. Дозаторы непрерывного действия. Москва, Энергия, 1978.

4. Григорьев С.Н., Грибков А.А. Оптимизация технологии поэтапного объемно-весового дозирования // Техника и технология, №5, 2006, с. 68-72

5. Грибков А.А. Оптимизация поэтапного объемно-весового дозирования // Законодательная и прикладная метрология, №8, 2002, с. 32-36

6. Грибков А.А. и др. Патент РФ №2110773 (весовой автоматический дозатор).

7. Грибков А.А. Новый подход к структуре дозирующих систем // Законодательная и прикладная метрология, №3, 2001, с. 71-75

8. Григорьев С.Н., Грибков А.А. Оптимизация точности элементов дозирующей системы // Техника и технология, №5, 2006, с. 73-79

9. Гроссман И.Я., Шнырев Г.Д. Автоматизированные системы взвешивания и дозирования. Москва, Машиностроение, 1988.

10. Гуманюк М.Н. Магнитоупругие силоизмерители. Киев, Техника, 1981.

11. Деревянкин Н.А., Капитонов Е.Н. Современное оборудование для подачи сыпучих материалов. Москва, ЦИНТИхимнефтемаш, 1988.

12. Иванов М.Н. Детали машин. Москва, Высшая школа, 1998.

13. Исакович Е.Г. Весы и весовые дозаторы: метрологическое обеспечение. Москва, Издательство стандартов, 1991.

14. Карпин Е.Б. Средства автоматизации для измерения и дозирования массы. Расчет и конструирование. Москва, Машиностроение, 1971.

15. Каталымов А.В., Любартович В.А. Дозирование сыпучих и вязких материалов. Ленинград, Химия, 1990.

16. Киясбейли А.Ш., Лифшиц Л.М. Первичные преобразователи систем измерения расхода и количества жидкостей. Москва, Энергия, 1980.

17. Кожевников С.Н., Есипенко Я.И., Раскин Я.М. Механизмы. Москва, Машиностроение, 1976.

18. Кремлевский П.П. Измерение расхода и количества жидкости, газа и пара. Москва, Издательство стандартов, 1980.

19. Лидерман И.С., Зудашкин Н.А. Измерение влажности сыпучих материалов. Москва, ЦНИИТЭИнефтехим, 1970.

20. Лоншаков И.П., Хлепетин Ю. М. Измерение давления, расхода и количества жидкостей и газов. Свердловск, 1990.

21. Маликов С.П., Михайловский С.С. Весы и дозаторы весовые: справочник. Москва, Машиностроение, 1981.

22. Медников Ф.М., Конюхов Н.Е., Нечаевский М.Л. Электромагнитные датчики механических величин. Москва, Машиностроение, 1987.

23. Немировский А.С. Интеграторы измерительных приборов. Москва, Стан-дартгиз, 1960.

24. Низе В.Э., Антик И.В. Справочник по средствам автоматики. Москва, Энергоатом издат, 1983.

25. Трифонов О.Н., Иванов В.И., Трифонова Г.О. Приводы автоматизированного оборудования. Москва, Машиностроение, 1991.

26. Фарзане И.Г., Илясов Л.В., Азим-Заде А.Ю. Автоматические детекторы газов и жидкостей. Москва, Энергоатомиздат, 1983.

27. Федорец В.А., Педченко М.Н., Пичко А.Ф., Псресадько Ю.В., Лысенко B.C. Гидроприводы и гидропневмоавтоматика станков. Киев, Выща школа, 1987.

28. Хрущев В.В. Электрические машины систем автоматики. Ленинград, Энергоатомиздат, 1983.

29. Чириков В.И., Кирилина Р.С., Шабалин С.А. Манометры, вакууметры, мановакууметры. Москва, Издательство стандартов, 1993.

30. Шполянский В.А., Курицкий A.M. Программно-временные задатчики. Москва, Машиностроение, 1984.

31. Авторское свидетельство №390374.

32. Авторское свидетельство №303523.

33. Abdulah F. London: Mathematical modeling and design if a shear force load cell transducer. Measurement of Force and Mass 1978, №312.

34. Oahle 0. The Torductor and the Pressductor — Two Magnetic Stressganger of New Type ASSEA 7421 Ea/Reg 5693.

35. Kaza K.R., Jackson R.//Powd. Technol.,1982, v 33.

36. McCobe Robert E. Metering pumb handbook — New York: Industr. press, 1984.

37. Murfitt P.C., Bransby P.L.//Powd. Technol., 1980, v 27.

38. Pickering F.W. Level measuring and controlradar. Chemical process, 1974, v 20, №.

39. Wilms H.//Aufbereitungs Technic, 1984, №11.