автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Совершенствование приборов и методов контроля технологических процессов в шинном производстве для повышения качества продукции

На правах рукописи

Шалагин Борис Михайлович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРИБОРОВ И МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ШИННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ

05.11.13- Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул 2004

х

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова

Научный руководитель доктор технических наук

Пронин Сергей Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор

Якунин Алексей Григорьевич

кандидат технических наук, Первухин Борис Семенович

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное

предприятие НИИ шинной промышленности, г. Москва

Зашита диссертации состоится 14 мая 2004 г. в 10°° на заседании диссертационного совета Д 212.004.06 Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова по адресу: 656038, Алтайский край, г.Барнаул, пр. Ленина, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова.

Автореферат разослан апреля 2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.004.06,

/33 у

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Анализируя современное шинное производство, концерн БМВ и НИИ шинной промышленности России (НИИШП) делают вывод о том, что важным показателем является стабильность качества шин: потребитель хочет быть уверен, что не среднее качество данных шин данного производителя его устраивает, а именно конкретные приобретаемые им шины.

НИИШП отмечает два основных фактора, влияющих на стабильность качества шин: объективные и субъективные. В объективном факторе выделены три ведущие группы: соотношение машинных (автоматизированных) и ручных технологических и контрольных операций; точность работы оборудования: величины допусков на параметры процессов, размеры деталей шин и их взаимное расположение; технические средства контроля за ходом технологических процессов, качеством полуфабрикатов, деталей, изделий и автоматизированного управления.

Следовательно, совершенствование контрольно-измерительных методов и средств с целью повышения качества шин и поддержания его стабильности является актуальной задачей.

На Барнаульском шинном заводе имеются четыре основных участка. Очевидно, что стабильного качества шин можно добиться только в том случае, если на каждом участке, на каждой технологической операции будет обеспечено стабильное качество изделий и технологических режимов. С точки зрения метрологии участки оснащены высокоточными контрольно-измерительными приборами, тем не менее качество шин остается неудовлетворительным. Во многом такой исход определяют методы и средства контроля. Например, толщиномер имеет погрешность измерения 0,01 мм. Однако, из-за пластичности резины, контакный способ измерения не обеспечивает высокоточного контроля.

Оснащать новыми автоматизированными техническими средствами контроля все производство дорого, поскольку часто они связаны с новым технологическим оборудованием. Повсеместно компьютеризировать используемые в производстве существующие средства контроля либо невозможно, либо нерационально по двум причинам. Во-первых, отдельные методы и средства контроля просто не дадут ожидаемого эффекта. Например, рычажные весы, используемые для дозирования ингредиентов резиновой смеси, из-за высокой их инерционности даже в компьютерном варианте не в состоянии обеспечить высокую точность контроля. Во-вторых, ручные контрольные операции в принципе невозможно компьютеризировать.

Таким образом, проблема Барнаульского шинного завода состоит в анализе качества полуфабрикатов и изделий по основным участкам шинного производства и оснащении техническими средствами контроля технологических

РОС ! !

! ' 1 * ¡ЬНАЯ Ь" * -ТЕМ с.) ! ■ обург

ХИЙоРК

операций, на которых продукция не удовлетворяет заданным техническим условиям из-за низкого качества контроля.

Цель работы - совершенствование приборов и методов контроля технологических процессов в шинном производстве для повышения качества продукции на примере Барнаульского шинного завода.

Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:

1. Провести измерения параметров выпускаемых комплектующих изделий на технологических операциях по основным участкам производства шин и разработать алгоритм оценки качества производимой продукции и качества контрольных операций.

2. По разработанному алгоритму выполнить анализ качества продукции и выявить средства контроля, которые не обеспечивают получение надежной, объективной и оперативной информации о качестве изделий и технологических режимов.

3. Разработать и исследовать методы и средства контроля качества выпускаемой продукции на тех технологических операциях, где продукция не удовлетворяет заданным техническим условиям.

4. Оснастить технологическое оборудование разработанными средствами контроля.

Объектом исследования являются качество изделий и технологических режимов по участкам шинного производства.

Предметом исследования являются методы и средства контроля параметров изделий и технологических режимов шинного производства.

Методы исследований. В работе использованы натурные испытания, статистические методы обработки экспериментальных данных, теория истечения сыпучих материалов, инженерные методы расчета контактных деформаций из теории удара, теория оптического изображения.

Научная новизна работы.

Определена граница применимости весовых дозаторов с рычажным механизмом. При динамическом контроле массы ингредиента весовые дозаторы способны обеспечить высокую точность только для связных ингредиентов, имеющих естественный угол откоса не менее 40°. Для хорошо сыпучих ингредиентов целесообразно дозаторы переводить на тензометрический контроль.

Разработана формула расчета погрешности контроля ширины кордного полотна, в которой отражена зависимость погрешности ширины от амплитуды поперечных смещений протектора, увеличения объектива, уровня порога регистрации края протектора и размера аппаратной функции.

Для контроля толщины изделия по схеме триангуляции впервые предложено применять световую марку в форме двух светлых полос. О толщине изделия судят по смещению минимума сигнала в плоскости фотоприемника. Такая схема позволяет в 2 раза повысить чувствительность прибора по сравнению с традиционным использованием световой марки в виде одного светлого пятна.

На защиту выносятся.

1. Алгоритм анализа качества технологического процесса производства изделий или технологического режима с оценкой приборов и методов контроля.

2. Метод контроля дозирования ингредиентов резиновой смеси. Метод расчета оптимальной производительности дозатора, которая обеспечивает максимальную производительность дозирования при заданной погрешности дозирования. Метод повышения производительности дозирования резиновой смеси при сохранении заданной погрешности дозирования.

3. Метод контроля ширины кордного полотна с использованием двух видеокамер. Модель формирования границы полуплоскости изображения и полученная из нее формула расчета погрешности контроля ширины кордного полотна.

4. Метод контроля толщины изделия по триангуляционной оптической схеме с применением световой марки в форме двух светлых полос.

Практическая ценность.

Применение тензометрического контроля с двухскоростным режимом дозирования обеспечивает получение заданной точности статической массы связных и хорошо сыпучих ингредиентов резиновой смеси, что улучшает ее физико-механические показатели.

Применение оптико-электронных приборов в контроле геометрических размеров полуфабрикатов шинного производства позволяет уменьшить статический дисбаланс, радиальное и боковое биения и силовую неоднородность шины.

Внедрение результатов работы.

Система конгроля и управления резиносмешением и дозированием эксплуатируется на трех линиях подготовительного цеха с 25.01 1999 г. со стабильными показателями. Годовой эффект в 2000 г. составил 2658,3 тыс. руб.

Оптико-электронные приборы контроля ширины кордного полотна внедрены на двух линиях каландрового цеха. Система контроля обеспечила ритмичность производства с экономическим эффектом в 1998 г. 487 тыс. руб.

Оптико-электронный прибор контроля толщины профилированных заготовок внедрен в систему контроля и управления технологическим процессом изготовления профилированных заготовок на одном протекторном агрегате. Данная система обеспечила снижение первичного брака на 3 % с экономическим эффектом 897 тыс. руб. в 1999 г.

Апробация и публикации.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 4-ой международной конференции «Измерения , контроля и автоматизация производственных процессов» (Барнаул 1997г.), 13-ом международном симпозиуме «Проблема шин и резинокордных композитов» (Москва, 2002г), Всероссийской научно - практической конференции «Проблема энергосбережения и энергобезопастности в Сибири» (Барнаул, 2003г).

Результаты диссертационной работы отражены в 10 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и приложения. Текст диссертации изложен на 159 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков, 8 таблиц и списка литературы из 74 наименований.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложены цель и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе разработан алгоритм анализа качества технологического процесса. На основе разработанного алгоритма проведен анализ технологических процессов шинного производства на Барнаульском шинном заводе по четырем основным участкам и выявлены технические средства контроля, которые не обеспечивают получение надежной, объективной и оперативной информации о качестве продукции. Наряду с критическим анализом ставятся задачи диссертационных исследований.

На рис.1 представлен алгоритм анализа качества технологического процесса.

Комментарий № 1. Стабильный режим технологического процесса.

Комментарий № 2. Критический режим технологического процесса. Вероятные причины : - наличие незначительной систематической составляющей погрешности средства контроля; - наличие незначительного тренда технологического оборудования. Пути повышения качества: - устранение систематической составляющей средства контроля; - совершенствование метода контроля с возможным использованием существующего средства контроля; -подналадка оборудования.

Комментарий № 3. Нестабильный режим технологического процесса. Вероятные причины : - наличие высокой систематической составляющей погрешности средства контроля; - наличие высокого тренда технологического оборудования. Пути повышения качества: - устранение систематической составляющей средства контроля; - совершенствование метода и средства контроля с возможным использованием существующего датчика или прибора; -подналадка оборудования.

Комментарий № 4. Нестабильный режим технологического процесса. Вероятные причины: - наличие высокой случайной составляющей погрешности средства контроля. Путь повышения качества: - автоматизация контроля с возможным использованием существующего средства контроля.

Комментарий № 5. Крайне нестабильный режим технологического процесса. Вероятные причины: - наличие высокой систематической и случайной составляющей погрешности средства контроля; - наличие высокого тренда технологического оборудования. Пути повышения качества: - автоматизация контроля технологического процесса; - разработка альтернативного метода и средства контроля; -подналадка оборудования.

г

Ввод

массива X. номинального значения Хн; предельного откгонатяДХ, коэффициента Сзьюдента

Вычисление

среднего значения ; оценки СКО Б, процжта брака q, доверительного интервала е

омментарий №5

Рис 1 Алгоритм анализа качества технологического процесса

Во второй главе исследованы причины возникновения брака при дозировании ингредиентов резиновой смеси с помощью весовых дозаторов с рычажными весами и дана оценка погрешности дозирования массы ингредиента с применением тензодатчиков. Решается задача оптимизации контроля дозирования массы ингредиента.

Весовые дозаторы с рычажными весами при статическом контроле имеют высокую точность дозирования ингредиентов. Однако при динамическом контроле погрешность дозирования не превышает допуск на номинальную массу только для связных ингредиентов имеющие естественный угол откоса не менее 40°. Для хорошо сыпучих ингредиентов с естественным углом откоса 25° - 35° погрешность контроля дозирования превышает допуск на номинальную массу. Брак при дозировании канифоли составляет 43%. Брак при дозировании технического углерода составляет 28%, а фталевого ангидрида 10%.

На рис.2 изображены 3 графика динамического изменения массы бункера в процессе его наполнения. Обозначения: тн - номинальное значение массы, Дтн - допуск. Идеальное наполнение бункера представляет монотонно возрастающую функцию - 1. В реальном наполнении бункера наблюдаются переходные процессы - 2. Они возникают при резком изменении скорости подачи ингредиента. В такие моменты динамическая масса тд значительно превышает ее статическое значение тс,.. При этом динамическая масса может превысить номинальное значение тя. Электрический выключатель БВК срабатывает, закрывает заслонку и подача ингредиента прекращается. По окончании переходного процесса масса ингредиента оказывается ниже номинального значения. Для исключения процесса наполнения бункера по режиму графика 2 можно установить выключатель БВК в положение суммы тн+Дтн, т.е. в верхнее допустимое отклонение веса ингредиента относительно номинального значения. В этом случае из-за изменения скорости подачи ингредиента его масса может превысить допустимую верхнюю границу тн + Атн (график 3).

Установлено, что погрешность дозирования определяется тремя основными причинами: производительностью дозатора, нестабильностью дозирования и временем переходного процесса. Из - за высокой амплитуды колебаний динамической массы и большого времени переходного процесса рычажная система весов не в состоянии обеспечить требуемую точность дозирования хорошо сыпучих ингредиентов. У дозаторов, оснащенных рычажными весами, время переходного процесса составляет 0,6 е., а тензомечрическими весами -ОД-Ю"2 с, т.е. на два порядка меньше, поэтому такая автоматизированная система способна контролировать дозирование с меньшей погрешностью.

В алгоритм обработки сигнала удобно ввести время задержки принятия решения о статической массе ингредиента после получения сигнала о динамическом ударе. При вводе времени задержки резких "всплесков " в выходном сигнале не наблюдается, как у рычажных весов. Однако именно за счет времени задержки возникает погрешность дозирования массы ингредиента.

Допустим, что из шнека на весы непрерывно поступают дискретные порции ингредиента. Зафиксируем в момент времени ^ мгновенную массу тм и тут же закроем заслонку шнека, которая прекращает подачу ингредиента в бункер. Спустя время задержки ^ цифровое табло покажет статическую массу:

Шст = т„ + т3, (1)

где тСТ- статическая масса; тм - мгновенная масса; т3 - масса задержки.

Пусть дозатор имеет производительность О кг/с. Тогда за время задержки масса задержки составит:

ш3 = . (2)

Как показали экспериментальные исследования, время задержки линейно зависит от производительности дозатора:

=аС? + Ь , (3)

где а, Ь - постоянные коэффициенты, определяемые из эксперимента. Подставляя (3) и (2) в (1), получим значение статической массы:

тст = тм + а(32 + ЬС?. (4)

Шнек должен прекращать подачу ингредиента в бункер при определенном значении мгновенной массы. Очевидно, что она должна быть задана с упреждением относительно номинального значения. Зададим величину упреждения, или мгновенную массу как разность между номинальным значением массы тн и ее допуском Дт„:

тм=тн-пДтн, (5)

где п - любое положительное число, которое определяет долю от допустимого значения номинальной массы. Тогда абсолютная погрешность принимает вид:

Аш =

пДшн -аС>2 -ЬО

(6)

О 1 2 3 4 Число xi

1 - производительность дозатора Q = 0,1 кг/с;

2 - производительность дозатора Q = 0,2 кг/с.

Рис. 3. Зависимость погрешности дозирования от числа п

На рис.3 изображены два графика, рассчитанные по формуле (4). Графики представляют зависимость погрешности контроля массы ингредиента Am от числа п, т.е. Am = f(n) при постоянной производительности Q=const. Первый график рассчитан при производительности дозатора Q = 0,1 кг/с, второй при Q = 0,2 кг/с. Допуск на номинальное значение составляет AmH=0,1 кг . Как видно из графиков, функции не являются монотонными. До определенного значения п каждая из них с возрастанием величины п уменьшается до нуля, а далее снова возрастает. Величина п, при которой функция Am обращается в нуль, характеризует нулевую погрешность дозирования. При производительности дозатора Q = 0,1 кг/с погрешность равна нулю, когда п =1,2. При производительности дозатора Q = 0,2 кг/с величина п должна составлять п = 2,85. В обоих случаях масса, поступившая из шнека, равна номинальному значению. По величине п можно рассчитать такую мгновенную массу, когда необходимо прекратить подачу ингредиента. Расчет мгновенной массы осуществляется по формуле

mM=mH-nAmB. (7)

Как видно из графиков, при различной производительности дозатора для достижения погрешности дозирования равной нулю, требуются различные значения п. Из полученных графиков можно сделать выводы. При стабильной производительности дозатора, Q = const, можно указать такую мгновенную массу, при которой погрешность дозирования равна нулю, Дт=0. При нестабильной производительности дозатора, т.е. Q Ф const, можно указать лишь оптимальною мгновенную массу, при которой погрешность дозирования не превышает допуска на номинальное значение массы. Из рис.3 можно определить такую величину п, при которой погрешность дозирования будет минимальной. Оптимальной точкой является точка пересечения двух графиков. Этой точке соответствует значение л =2 и погрешность дозирования 0,08 кг.

Стабильную производительность дозирования имеют связные ингредиенты: белила цинковые и маточная смесь. Нестабильную производительность имеют хорошо сыпучие ингредиенты: канифоль и технический углерод.

Постоянные коэффициенты в уравнении (3) определяют по следующему алгоритму. Помещая на весы экспериментальные дискретные массы с различным весом тЭ1, измерить время задержки При каждом 1 - ом значении массы т1 повторить измерения времени задержки в количестве N - раз. Обработку полученных статистических данных выполнить по ГОСТ 11.004 - 74 и методической инструкции МИ 2083 - 90. По полученным данным найти коэффициенты а, Ъ и погрешности этих коэффициентов Да, ДЬ.

Для анализа времени задержки Ъ необходимо задать экспериментальные массы тЭ1. Весовые дозаторы имеют определенную длительность цикла дозирования Т. Для заданной номинальной массы тп и известном времени дозирования Т производительность дозатора составит <5 = (т„/ Т) кг/с. Весовой дозатор типа ОДСС - 5 имеет максимальную длительность цикла дозирования Т = 30с. При условии заданной номинальной массы ингредиента, т = Зкг, производительность дозатора составит, <3 = 0,1 кг/с . Следовательно, для экспериментальных исследований можно взять минимальную массу т^ = 0,1 кг. Экспериментальные исследования по дозированию сыпучих материалов показали, что время дозирования может составлять Т = 20±4с, поэтому две другие массы были выбраны в соответствии с производительностью т =0,2 кг и т = 0,3 кг. Для каждой массы т, , были выполнены измерения в количестве N = 10. Результаты вычислений представлены в табл.1.

Таблица 1. Зависимость времени задержки от массы ингредиента

Масса ингредиента ш, (кг) Время задержки гз1 ± е (с)

0,100 ±0,002 0,200 ±0,002 0,300 ± 0,002 1,2 ±0,1 1,4 ±0,1 1,6 ±0,1

На основе табличных данных составлены два линейных уравнения. В первое уравнение входят время задержки = 1,2с и масса 0,1кг. Во второе уравнение - ^ = 1,6 с и масса 0,3кг. Решение системы дает решение

а = 2; Ь = 1.

Таким образом, для исследованной системы весов уравнение задержки приобретает вид:

г3=2<3 + 1. (8)

Для вычисления погрешности коэффициентов Да и ДЬ необходимо записать и решить систему уравнений, в которой вместо среднего значения будут входить два предельных значения { ±е ■

Третья глава посвящена разработке методов и средств контроля геометрических размеров профилированных заготовок - ширины кордного полотна и толщины изделий.

Метод контроля ширины изделия проиллюстрирован на рис. 4. Структурная схема включает два идентичных оптических блока. Каждый блок состоит из осветителя (Ос), объектива (Об) и многоэлементного фотоприемника (МЭФ).

Рис.4. Структурная схема контроля ширины протектора

Номинальное значение ширины протектора ¿н в общем случае может не соответствовать расстоянию между оптическими осями Е0. Выразим контролируемую ширину протектора 1К в пространстве предметов через Ь0 и смещения Ьх и Ь2:

1к=Ь0-Ь,к+Ъи. (9)

Техническая реализация алгоритма контроля по формуле (7) представляет большие трудности. Очень сложно задать с высокой точностью расстояние между оптическими осями 10- Этот размер должен быть одинаковым как в пространстве предметов, так и в пространстве изображений между центрами фотоприемников. Этой сложности можно избежать, если воспользоваться методом сравнения ширины изделия с эталоном. В качестве эталона выступает номинальный размер. Номинальный размер равен:

¿„=4-^+^. (Ю)

Вычитая из (7) значения номинального размера (8), получим разницу между контролируемым и номинальным размерами:

/ = Ьк-£н = (Ь2к -Ъ2и)-(Ы>1к - ДО • 0!)

Если разница размеров равна нулю, 1 = 0, то контролируемый размер соответствует номинальному размеру. Поскольку разница I определяется по величине смещений на многоэлементных фотоприемниках, то в уравнении (9) необходимо от смещений в пространстве предметов перейти к смещениям в пространстве изображений. При увеличении объектива (3 разница I запишется как

1 = [{Ъ'2к-Ъ'2н)-(Ъ1к-Ъ[и)}1 р. (12)

Согласно теории ошибок максимальная погрешность контроля ширины протектора АI составит:

А/ = § ЛР + ^Л^. (13)

где Дб^, дь^ -погрешность регистрации границ протектора при калибровке; АЬ'и,АЬ^ - погрешность регистрации границ протектора при контроле; Ар -погрешность увеличения объектива по полю изображения. В результате получена формула погрешности

АЫ2(Ьк-Ьи) 4 , (14)

(3 р

Величина погрешности регистрации изображения края определяется действием различных источников. Поэтому одной из задач диссертационных исследований являлась разработка математической модели формирования границы изображения полуплоскости, исследование изменения ее наклона за счет изменения аппаратной функции и изменения уровня порога, соответствующего идеальной геометрической границе, под влиянием шума. Подобная модель позволила получить формулу погрешности регистрации границы полуплоскости, а далее формулу погрешности контроля ширины протектора.

Известно, что изображение исследуемого объекта определяется как свертка двух функций. Первой функцией является идеальное изображение с резкой границей, а вторая - аппаратная функция. Резкий скачок от темного к светлому может быть описан функцией Хевисайда. Аппаратная функция выбрана в виде гауссоиды. Тогда распределение сигнала в плоскости фотоприемника запишется в виде:

00 Г <ч,' „\2 1(х') = 1(х')*п(х')= |ехр

О

где х' - координата в плоскости фотоприемника; г - радиус кружка рассеяния гауссосиды по уровню 0,606. В результате получено распределение интенсивности на границе полуплоскости:

=гл/яТг +1| - (16)

Чтобы получить обобщенные выводы, необходимо выполнить нормировку (14) к максимальному значению. Максимальное значение функция 1(х') достигает при координате х' да. Тогда нормированное значение распределения

интенсивности на границе изображение полуплоскости преобразуется к виду:

■ <п)

Из полученного уравнения можно выразить координату х', а далее вычислить погрешность регистрации этой координаты. Для этой цели выполнено разло-

13

(х'-хГ 2г2

<1х'

(15)

жение функции интеграла вероятности в ряд. Рассматривая малую область в окрестности точки х', можно ограничиться первым приближением. Зададим уровень порога Р, который соответствует координате х'. Тогда формула (17) перепишется в виде:

= + (18) л/я гл/2

Из полученной формулы несложно определить максимальную погрешность регистрации границы изображения фотоприемником

АЬ' = Ах' = 2,5[(Р-0,5)-Аг + г-АР]. (19)

Тогда формула (12) приобретает вид:

А/=|(Л4-6.)-Ар+у[(/>-0.5)-Аг + г-ДР] • (20>

где (Ьк - Ьц) - максимальное поперечное смещение протектора в процессе контроля; Д(3 - изменение линейного увеличения объектива в диапазоне поперечного смещения протектора; Р - уровень порога, по которому производится фиксация координаты границы изображения; АР - максимальное изменение уровня порога.

В процессе движения ленты протектора у него возникают поперечных смещения, которые смазывают резкие границы, делая их более пологими.

Экспериментальная установка содержит в своем составе видеокамеру фирмы «БОМ» и персональный компьютер. С помощью этой установки фиксировали видеокадры границы изображения протектора в статике и динамике. Далее проводили обработку видеокадров изображения границ протектора в приложении Ма&са& Два видеокадра графически представлены на рис.5.

По имеющимся изображениям можно рассчитать радиус аппаратной функции г и изменения радиуса аппаратной функции Дг, которые необходимо знать при расчете погрешности контроля ширины протектора по формуле (18). Из уравнения (15) можно рассчитать радиус аппаратной функции г :

г = (г,-д^/5,б. (21)

где - нижняя точка пограничной кривой; х2 ~ верхняя точка пограничной кривой. Из экспериментальных данных рис.5 следует, что радиус аппаратной функции в статике равен гст = 55 - 51 = 4 пикселя, а в динамике г^, = 60-51 = 9 пикселей. Изменение радиуса аппаратной функции Дг равно разности радиусов в статике и динамике. Поскольку в паспорте на видеокамеру не указан шаг дискретизации, то все расчеты удобно проводить в единицах [пиксель/мм].

Допустим, что в пространстве предметов протектор сместился на расстояние / = 1 мм. В пространстве изображений при линейном увеличении объектива р граница изображения сместится на N пикселей. По закону геометрической оптики получаем зависимость:

пиксель

250

200

и ф 150

к н 100

о 50

* к 0

я)

К

К 250

и

200

*ч

Я 150

Ф

м о 100

р.

50

0

г ' 1 ; ! 1 . « : : I : ! ! ' • ! ! ' ' 1

____ тН-гг

1 1 ■ 1 1» 1 1 гпхс ГТТЛ

1 1 : 1 •11 . ./• , : .1

■ ТТТГГ .~ГТП

лиг^т и ._< 1.

| П ■ ГТТТТГ.ТТТЧТГ!

"Г4 1 ' 1 ....... 1 ' . ' 1 \ ¡ • Т 5 I ! ! Н

1 ■ > ' ! ' 1 , ! 1 ;

40 50 60 70 номер пикселя

Рис. 5. Экспериментальные изменения сигнала на границе изображения протектора, выполненные в статике и в динамике

Для измерения толщины профиля протектора в его заданных контрольных точках применена триангуляционная измерительная схема , структурная схема которой схематично изображена на рис.6.

Суть этого метода состоит в формировании на поверхности контролируемого изделия световой марки малого диаметра или узкой полосы и построения изображения этой марки в плоскости фотоприемника. При изменении толщины изделия И световая марка из точки А! перемещается в точку А2. Это перемещение вызывает ортогональное смещение этой же точки относительно оптической оси объектива на величину Ь. Из простых геометрических формул и заданного увеличения объектива (3 получим зависимость смещения изображения световой марки Ь' от изменения размера изделия Ь:

Ь'^р-Ь-Бша. (23)

Используя формулу теории ошибок, запишем порог чувствительности как минимальное отклонение АЬт;п, которое способен зафиксировать рассматриваемый метод измерения:

АЬ' (24)

ЛЬтш =

Р-вта

Плоскость

Осветитель

Плоскость фотоприемника

Рис. 6. Триангуляционная схема измерения толщины изделия Ь

Проблема заключена в погрешности регистрации ДЬ' координаты выбранного параметра светового пятна. Перемещение световой марки из точки А1 в точку А2 влечет дефокусировку ее изображения в точке А 2, расположенной в плоскости фотоприемника. Дефокусировка размывает размеры пятна. Крутизна границ уменьшается, поэтому на точное определение величины смещения ДЬ' все в большей степени начинают влиять случайный шум и неоднородность чувствительности фоточувствительных элементов.

В диссертационной работе исследованы два альтернативных метода контроля: известный - это контроль толщины изделия с помощью световой марки в форме светлого пятна малого диаметра или узкой светлой полосы и предложенный - это контроль толщины изделия с помощью световой марки в форме двух узких светлых полос. На рис.7 представлены сигналы на выходе оптико-электронной системы. Область неопределенности пространственного положения максимума у одиночной светлой полосы составляет 3 пикселя, а минимума двух светлых полос - 1 пиксель. Этот факт и определяет уменьшение погрешности толщины контроля изделий.

Использование световой марки в форме узкой светлой полосы, увеличении оптической системы (5 = Г и угле наклона а=45° порог чувствительности оптико-электронной системы при контроле толщины изделия составил 0,1 мм. Использование световой марки в форме двух светлых полос, увеличении оптической системы р « Г и угле наклона а=45° порог чувствительности контроля толщины изделия по минимуму сигнала составил менее 0,05 мм.

2 260

* 203

к и

° « 156

л И

£ с 104

• О

И 52

о

£ о

8 12 16 20 24 28 2 6 10 14 18 20 номер пикселя

I, а - световая марка в форме узкой светлой полосы;

б - световая марка в форме двух узких светлых полос

Рис. 7. Сигнал на выходе оптико-электронной системы:

В четвертой главе изложены методы и средства контроля, внедренные в технологические процессы шинного производства. Дано описание системы контроля дозирования ингредиентов резиновой смеси и структурной схемы тензометрического дозатора. Приведено описание методов контроля геометрических размеров, структурная схема осветителя, алгоритмов программ калибровки и контроля геометрических размеров.

Основные выводы

1 Разработан алгоритм анализа качества технологического процесса, который позволяет выявить технические средства контроля, не обеспечивающие получение надежной, объективной и оперативной информации о качестве продукции.

г 2 Установлено, что весовые дозаторы с рычажной системой при ста-

тическом контроле имеют высокую точность дозирования ингредиентов резиновой смеси. Однако при динамическом контроле это качество сохраняется только для связных ингредиентов, имеющих естественный угол откоса не менее 40°. Из-за высокой амплитуды колебаний динамической массы и большого времени переходного процесса рычажная система не в состоянии обеспечить требуемую точность дозирования хорошо сыпучих ингредиентов.

3 Задача модернизации весовых дозаторов решена переводом весов на тензометрическое взвешивание, при этом сохранена их основная конструкция. Разработаны инженерные методы расчета оптимальной производительности дозатора и расчет суммарной погрешности контроля дозирования массы ингредиента. Разработаны метод расчет оптимальной мгновенной массы ингредиента, при которой тензометрические весы должны дать команду на закрытие заслонки шнека.

4 Для повышения производительности технологического цикла дозирования резиновой смеси предложено разбить его на два этапа. На первом этапе задают ускоренную производительность дозатора, а на втором - оптимальную, когда достигается требуемая погрешность дозирования при максимальной скорости дозирования. Разработаны формулы расчета производительности на каждом этапе. Внедренная система контроля резиносмешением позволила сократить брак резиновой смеси до 5 % и повысить стабильность физико-механических показателей. Годовой экономический эффект составил 2658,3 тыс. руб.

5 Для контроля ширины кордного полотна применена система из двух видеокамер с многоэлементными фотоприемниками. Разработана формула расчета погрешности контроля ширины кордного полотна, в которой отражена зависимость погрешности ширины от амплитуды поперечных смещений протектора, увеличения объектива, уровня порога регистрации края протектора и размера аппаратной функции.

6 Экспериментально установлено, что доминирующий вклад в максимальную погрешность контроля ширины изделия, свыше 70 % , вносят поперечные смещения кордного полотна. В лабораторных условиях при увеличении оптической системы р » 0,72х , поперечных смещениях протектора с амплитудой ± 2 мм и частотой до 5 Гц погрешность контроля составила 0,23 мм. В производственных условиях погрешность не превышает 0,5 мм, что на порядок ниже допуска. Приборы контроля внедрены на двух линиях каландрового цеха. Системы обеспечивают ритмичность производства с экономическим эффектом 487 тыс. руб.

7 Дтя контроля толщины изделия реализован триангуляционный метод с применением световой марки в форме двух светлых полос. О толщине изделия судят по смещению минимума сигнала в плоскости фотоприемника. Такая схема позволяет в 2 раза повысить чувствительность прибора по сравнению с традиционным использованием световой марки в виде одного светлого пятна. В лабораторных условиях погрешность контроля составила менее 0,05 мм. В производственных условиях погрешность контроля не превышает 0,07 мм. Оптико-электронньгй прибор, внедренный в систему контроля и управления технологическим процессом изготовления профилированных заготовок обеспечивает снижение брака на 3 %.

Основные публикации автора по теме диссертационной работы

1. Бобков Ю.М., Шалагин Б.М. Автоматизированная система управления технологическим процессом изготовления резиновой смеси. // Научно-информационный сборник. - М.: Изд. ФГУП «НИИ шинной промышленности», 1999 - Выпуск №5. С.31 - 33.

2. Шалагин Б.М. Анализ метрологического обеспечения производства резиновых смесей на Барнаульском шинном заводе. // Сборник докладов три-

надцатого симпозиума «Проблемы шин и резинокордных композитов». -М.: Изд. ФГУП «НИИ шинной промышленности», 2002. - Т.2. С.136 -140.

3. Бобков Ю.М., Шалагин Б.М. Проблемы метрологического обеспечения шинного производства. / Доклады 4 -ой Международной конференции "Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов", 29 -31 октября 1997г.-Барнаул: АлтГТУ, 1997.-Т.4.-С. 16-19.

4. Бобков Ю.М., Шалагин Б.М. Приборы и методы контроля и измерения геометрических размеров в шинном производстве. // Сборник докладов четвертой Международной конференции «Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов». -Барнаул: Изд. АлтГТУ, 1997. -Т.4. — 4.2. — С.40 — 42.

5. Бобков Ю.М., Шалагин Б.М., Госьков П.И. Электрические методы и приборы контроля неэлектрических величин в шинном производстве. // Сборник докладов четвертой Международной конференции «Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов». -Барнаул: Изд. АлтГТУ, 1997. - Т.4. - С.80 - 110.

6. Бобков Ю.М., Шалагин Б.М., Маркин В.Б., Евстигнеев В.В. Выходной контроль продукции. // Сборник докладов четвертой Международной конференции «Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов». -Барнаул: Изд. АлтГТУ, 1997. - Т.4. - С. 137 - 143.

7. Бобков Ю.М., Шалагин Б.М., Маркин В.Б., Евстигнеев В.В. Система автоматизированного контроля и управления резиносмешением и дозированием. // Сборник докладов четвертой Международной конференции «Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов». -Барнаул: Изд. АлтГТУ, 1997. - Т.4. - С.Ill - 115.

8. Пронин С.П., Шалагин Б.М. Энергосбережение в шинном производстве путем совершенствования методов и средств контроля дозирования ингредиентов резиновой смеси/ Материалы Всероссийской HJIK "Проблемы энергосбережения и энергобезопастности в Сибири".- Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2003.-С.121-122.

9. Пронин С.П, Шалагин Б.М. Энергосбережение в шинном производстве путем автоматизации контроля технологического процесса профилирования протекторных заготовок / Материалы Всероссийской научно - практической конференции " Проблемы энергосбережения и энергобезопастности в Сибири." - Барнаул: Изд - во АлтГТУ, 2003. - с. 148 - 150.

10. Пронин С.П., Шалагин Б.М. Энергосбережение в шинном производстве путем совершенствования автоматизированного контроля процесса вулканизации. / Материалы Всероссийской НТК «Проблемы энергосбережения и энергобезопастности в Сибири». - Барнаул: АлтГТУ, 2003. - С. 121 -122.

РНБ Русский фонд

2006-4 1334

Подписано в печать 1.04.2004. Формат 60x84 1/16. Печать - ризография. Усл.п.л. 1,16. Уч.изд.л. ,87. Тираж 100 экз. Заказ 33/2004.

Издательство Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46. Лицензии: ЛР № 020822 от 21.09.98 года, ПЛД № 28-35 от 15.07.97

Отпечатано в ЦОП АлтГТУ 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46

(I

% -и* *

2 3 кГ. "

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА

АНАЛИЗ КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ШИННОГО ПРОИЗВОДСТВА НА ПРИМЕРЕ БАРНАУЛЬСКОГО ШИННОГО ЗАВОДА.

1.1 Математическая модель оценки качества изделия на производственном участке

1.2 Алгоритм анализа качества технологического процесса . 20 1.2.1 Описание программы расчета процента брака в приложении

Mathcad.

1.3 Анализ контроля качества изделий по производственным участкам. Задачи совершенствования методов и средств контроля.

1.3.1 Контроль технологического процесса приготовления резиновой смеси

1.3.2 Контроль технологического процесса обработки корда и тканей.

1.3.3 Контроль технологического процесса профилирования заготовок.

1.3.4 Контроль технологического процесса вулканизации покрышек.

Выводы.

ГЛАВА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ И ПРИБОРОВ КОНТРОЛЯ

ДОЗИРОВАНИЯ ИНГРЕДИЕНТОВ РЕЗИНОВОЙ СМЕСИ.

2.1 Исследование причины возникновения брака при дозировании ингредиентов резиновой смеси

2.2 Оценка погрешности контроля массы ингредиента с применением рычажной системы.

2.3 Оценка погрешности дозирования массы ингредиента с применением тензодатчиков.

2.4 Исследование времени задержки тензометрических весов. Метод расчета постоянных коэффициентов.

2.5 Оптимизация контроля дозирования статической массы ингредиента.

2.5.1 Метод расчета мгновенной массы по функции зависимости погрешности дозирования от производительности дозатора

2.5.2 Метод расчета мгновенной массы по функции зависимости погрешности дозирования от величины п.

2.5.3 Расчет оптимальной производительности дозатора.

2.6 Расчет суммарной погрешности контроля дозирования массы ингредиента

2.7 Экспериментальные исследования контроля дозирования ингредиентов резиновой смеси на тензометрических весах.

Выводы.

ГЛАВА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ И ПРИБОРОВ

КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ПРОФИЛИРОВАННЫХ

ЗАГОТОВОК.

3.1 Контроль ширины протектора методом теневой проекции

3.1.1 Теоретическая оценка погрешности контроля ширины протектора.

3.1.2 Экспериментальные исследования погрешности контроля ширины протектора.

3.2 Методы контроля толщины изделия.

3.2.1 Контроль толщины изделия по смещению световой марки в форме малого светлого пятна или узкой светлой полосы

3.2.2 Контроль толщины изделия по смещению световой марки в форме двух узких светлых полос.

Выводы.

ГЛАВА

РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ШИННОГО ПРОИЗВОДСТВА.

4.1 Описание метода и системы контроля дозирования ингредиентов резиновой смеси.

4.2 Описание метода контроля ширины кордного полотна.

4.3 Описание метода и средства контроля толщины профилированных заготовок.

4.4 Описание средства контроля процесса вулканизации покрышки.

Выводы.

В недавнем прошлом технологический процесс изготовления шин был направлен на крупномасштабность производства. Высокие технологические показатели обеспечивались за счет узкого ассортимента размеров и моделей шин, стабильного поступления сырья и ингредиентов и, нередко, фиксации «намертво» необходимых размеров с помощью сварки. В настоящее время требуется совершенно иной подход в развитии технологического процесса в шинном производстве. При неполной загрузке мощностей необходима гибкость производства при значительном расширении ассортимента выпускаемой продукции.

Анализируя современное шинное производство, концерн БМВ и НИИ шинной промышленности России делают вывод о том, что важным показателем является стабильность качества шин [5,73,74]. Поэтому, говоря о качестве шинной продукции, на передний план выступает стабильность качества: потребитель хочет быть уверен, что не среднее качество данных шин данного производителя его устраивает, а именно конкретные приобретаемые им шины.

В литературе [5] указаны два основных фактора, влияющих на стабильность качества шин: объективные и субъективные. В объективном факторе выделены три ведущие группы: соотношение машинных (автоматизированных) и ручных технологических и контрольных операций; точность работы оборудования: величины допусков на параметры процессов, размеры деталей шин и их взаимное расположение; технические средства контроля за ходом технологических процессов, качеством полуфабрикатов, деталей, изделий и автоматизированного управления.

Следовательно, совершенствование контрольно-измерительных методов и средств с целью повышения качества шин и поддержания его стабильности является актуальной задачей.

Использование современных вычислительных средств позволяет не только контролировать параметры работы оборудования, размеры и температуру изделий, но и использовать результаты контроля для подналад-ки оборудования.

На Барнаульском шинном заводе имеются четыре основных участка. Очевидно, что стабильного качества шин можно добиться только в том случае, если на каждом участке, на каждой технологической операции будет обеспечено стабильное качество полуфабрикатов и изделий. С точки зрения метрологии участки оснащены высокоточными контрольно-измерительными приборами, тем не менее, качество шин остается неудовлетворительным. Во многом такой исход определяют методы и средства контроля. Например, толщиномер имеет погрешность измерения 0,01 мм. Однако, из-за пластичности резины, контактный способ измерения не обеспечивает высокоточного контроля.

Оснащать новыми автоматизированными техническими средствами контроля все производство дорого, поскольку часто они связаны с новым технологическим оборудованием. Повсеместно компьютеризировать используемые в производстве существующие средства контроля либо невозможно, либо нерационально по двум причинам. Во-первых, отдельные методы и средства контроля просто не дадут ожидаемого эффекта. Например, рычажные весы, используемые для дозирования ингредиентов резиновой смеси, из-за высокой их инерционности даже в компьютерном варианте не в состоянии обеспечить высокую точность контроля. Во-вторых, ручные контрольные операции в принципе невозможно компьютеризировать. К таким операциям относится, например, контроль ширины беговой части протектора с помощью металлической линейки.

Таким образом, проблема Барнаульского шинного завода состоит в анализе качества полуфабрикатов и изделий по основным участкам шинного производства и оснащении техническими средствами контроля технологических операций, на которых продукция не удовлетворяет заданным техническим условиям из-за низкого качества контроля.

Цель работы - совершенствование приборов и методов контроля технологических процессов в шинном производстве для повышения качества продукции на примере Барнаульского шинного завода.

Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:

1. Провести измерения параметров выпускаемых комплектующих изделий на технологических операциях по основным участкам производства шин и разработать алгоритм оценки качества производимой продукции и качества контрольных операций.

2. По разработанному алгоритму выполнить анализ качества продукции и выявить средства контроля, которые не обеспечивают получение надежной, объективной и оперативной информации о качестве изделий и технологических режимов.

3. Разработать и исследовать методы и средства контроля качества выпускаемой продукции на тех технологических операциях, где продукция не удовлетворяет заданным техническим условиям.

4. Оснастить технологическое оборудование разработанными средствами контроля.

Объектом исследования являются качество изделий и технологических режимов по участкам шинного производства.

Предметом исследования являются методы и средства контроля параметров изделий и технологических режимов шинного производства.

Методы исследований. В работе использованы натурные испытания, статистические методы обработки экспериментальных данных, теория истечения сыпучих материалов, инженерные методы расчета контактных деформаций из теории удара, теория оптического изображения.

Научная новизна работы.

Определена граница применимости весовых дозаторов с рычажным механизмом. При динамическом контроле массы ингредиента весовые дозаторы способны обеспечить высокую точность только для связных ингредиентов, имеющих естественный угол откоса не менее 40°. Для хорошо сыпучих ингредиентов целесообразно дозаторы переводить на тен-зометрический контроль.

Разработана формула расчета погрешности контроля ширины кордного полотна, в которой отражена зависимость погрешности ширины от амплитуды поперечных смещений протектора, увеличения объектива, уровня порога регистрации края протектора и размера аппаратной функции.

Для контроля толщины изделия по схеме триангуляции впервые предложено применять световую марку в форме двух светлых полос. О толщине изделия судят по смещению минимума сигнала в плоскости фотоприемника. Такая схема позволяет в 2 раза повысить чувствительность прибора по сравнению с традиционным использованием световой марки в виде одного светлого пятна.

На защиту выносятся.

1. Алгоритм анализа качества технологического процесса производства изделий, или технологического режима с оценкой приборов и методов контроля.

2. Метод контроля дозирования ингредиентов резиновой смеси. Метод расчета оптимальной производительности дозатора, которая обеспечивает максимальную производительность дозирования при заданной погрешности дозирования. Метод повышения производительности дозирования резиновой смеси при сохранении заданной погрешности дозирования.

3. Метод контроля ширины кордного полотна с использованием двух видеокамер. Модель формирования границы полуплоскости изображения и полученная из нее формула расчета погрешности контроля ширины кордного полотна.

4. Метод контроля толщины изделия по триангуляционной оптической схеме с применением световой марки в форме двух светлых полос.

Практическая ценность.

Применение тензометрического контроля с двухскоростным режимом дозирования обеспечивает получение заданной точности статической массы связных и хорошо сыпучих ингредиентов резиновой смеси, что улучшает ее физико-механические показатели.

Применение оптико-электронных приборов в контроле геометрических размеров полуфабрикатов шинного производства позволяет уменьшить статический дисбаланс, радиальное и боковое биения и силовую неоднородность шины.

Внедрение результатов работы.

Система контроля и управления резиносмешением и дозированием эксплуатируется на трех линиях подготовительного цеха с 25.01 1999 г. со стабильными показателями. Годовой эффект в 2000 г. составил 2658,3 тыс. руб.

Оптико-электронные приборы контроля ширины кордного полотна внедрены на двух линиях каландрового цеха. Система контроля обеспечила ритмичность производства с экономическим эффектом в 1998 г. 487 тыс. руб.

Оптико-электронный прибор контроля толщины профилированных заготовок внедрен в систему контроля и управления технологическим процессом изготовления профилированных заготовок на одном протекторном агрегате. Данная система обеспечила снижение первичного брака на 3 % с экономическим эффектом 897 тыс. руб. в 1999 г.

Апробация и публикации.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 4-ой международной конференции «Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов» (Барнаул 1997г.), 13-ом международном симпозиуме «Проблема шин и резинокордных композитов» (Москва,

2002г), Всероссийской научно — практической конференции «Проблема энергосбережения и энергобезопастности в Сибири» (Барнаул, 2003г).

Результаты диссертационной работы отражены в 10 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и приложения. Текст диссертации изложен на 159 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков, 8 таблиц и списка литературы из 74 наименований.

Выводы

На основе теоретических и экспериментальных исследований оптико-электронной системы контроля геометрических размеров профилированных заготовок получены следующие результаты.

1. Разработана модель формирования границы полуплоскости (3.20), полученная в результате свертки функции Хевисайда с аппаратной функцией оптико-электронной системы в форме гауссоиды. На основе модели выведена формула расчета погрешности контроля ширины протектора (3.25), в которой отражена зависимость погрешности контроля от амплитуды поперечных смещений протектора, увеличения объектива, уровня порога регистрации края протектора и размера аппаратной функции.

2. Предложено оценивать увеличение оптико-электронной системы количеством пикселей, приходящихся на 1 мм. Такой подход позволяет рассчитать погрешность контроля без знания информации о шаге дискретизации в абсолютных единицах длины, которая обычно отсутствует в паспорте на видеокамеры. Кроме того, он позволяет одновременно учесть погрешности, связанные с дисторсией объектива и дискретной структурой многоэлементного фотоприемника.

3. Экспериментально установлено, что при калибровке и контроле возможны различия в максимальном уровне сигнала. Чтобы исключить возникновение систематической составляющей погрешности контроля, необходимо вводить адаптивный порог.

Установлено, что в статическом положении протектора минимальный сигнал у границы изображения всегда равен нулю. В динамическом режиме минимальный сигнал отличен от нуля. По этой причине, с целью уменьшения погрешности контроля, адаптивный порог должен рассчитываться только от максимального значения, исключая из расчетов минимальные значения в области границы.

4. Теоретически и экспериментально установлено, что доминирующий вклад в максимальную погрешность контроля, свыше 80 % , вносят поперечные смещения протектора. При увеличении оптической системы |3 « 0,72х , поперечных смещениях протектора с амплитудой ± 2 мм и частотой до 5 Гц максимальная погрешность контроля составляет 0,23 мм.

5. Теоретически и экспериментально исследованы два метода контроля толщины изделия — по смещению световой марки в форме одной светлой полосы с регистрацией середины отрезка между границами в изображении полосы и по смещению световой марки в форме двух светлых полос с регистрацией минимума сигнала между двумя светлыми полосами.

Для одной и той же оптико-электронной системы при одинаковых условиях эксперимента при реализации первого метода порог чувствительности составил 0,1 мм, а во втором методе - 0,05 мм.

98

ГЛАВА 4

РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ШИННОГО

ПРОИЗВОДСТВА

В настоящей главе приведены методы и средства контроля с описанием разработанных алгоритмов программ, а также описание системы контроля и управления технологическим процессом шинного производства, в которую разработанные средства входят как ее неотъемлемые составные части.

4.1 Описание метода и системы контроля дозирования ингредиентов резиновой смеси

Для приготовления резиновой смеси применяется система автоматизированного управления резиносмешением и дозированием (СУРД). Она осуществляет автоматическое управление механизмами загрузки и разгрузки резиносмесителя по заданной программе. Эта система имеет ряд недостатков [49]:

- низкая надежностью из-за использования релейной схемы управления подготовки ингредиентов;

- жесткая программа, которая не обеспечивает быстрого перехода с одного шифра резиновой смеси на другой и его корректировку;

- отсутствие регистрации параметров текущего режима, которое не позволяет проводить анализ прошедших режимов и наладить автоматический учет сырья и ингредиентов;

- низкая точность взвешивания ингредиентов резиновой смеси из-за большой инерционности рычажного механизма, а также от умения и навыков оператора.

Реконструкция устаревшего оборудования СУРД проводилась по трем направлениям: применение персонального компьютера (PC IBM); переход от релейных схем к бесконтактным выключателям и датчикам положения; модернизация весовых дозаторов.

PC IBM, сигнализируя обо всех нарушениях технологического процесса, позволяет гарантировать физико-механические показатели резиновых смесей. При необходимости она автоматически корректирует режим резиносмешения, выдает измерительную информацию и рекомендации предлагаемых действий. Автоматизация контроля дозирования ингредиентов позволяет вести точный учет расхода сырья по фактической отработке навесок за смену (сутки, месяц), учет числа и номера заправок со всеми отклонениями от технологического регламента. Работа системы задается программой, выбираемой оператором в зависимости от технологического процесса и рецептуры резиновой смеси из банка данных IBM.

Применение индуктивных и емкостных бесконтактных выключателей и датчиков положения в схеме управления резиносмешением позволяет производить более точную настройку конечного положения механизмов, а значит и более точную дозировку. Индуктивные бесконтактные выключатели применены в качестве конечных выключателей и датчиков положения (открытие и закрытие нижнего затвора, верхнего пресса и т.д.). Емкостные бесконтактные выключатели использованы в качестве датчиков присутствия материала.

Задача модернизации весовых дозаторов решена переводом весов на тензометрическое взвешивание. При этом сохранена их основная конструкция, т.е. произведена замена рычажной системы на тензодатчики. Такая замена расширила возможность автоматизации процесса дозирования.

На рис. 4.1 изображена структурная схема тензометрического дозатора. Бункер передает нагрузку на тензодатчики (ТД) , сигнал с которых поступает через нормирующий тензометрический усилитель ТНУ на АЦП, далее в цифровой форме параллельным кодом на микроконтроллер МК и

Рис.4.2, позиция 7

Весы №1 Весы №12

К - конвертер RS 485 / RS 232 (расположен в устройстве сопряжения 7);МК - микроконтроллер; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; НТУ - нормирующий тензометрический усилитель; TD1. TDn - тензодатчики.

Рис.4.1. Структурная схема тензометрического дозатора по трехпроводному интерфейсу RS 485 информация поступает в базовый комплекс IBM - системы автоматизированного контроля и управления ре-зиносмешением и дозированием.

Структурная схема этой системы представлена на рис. 4.2. Работа системы задается программой, выбираемой в зависимости от технологического процесса и рецептуры резиновой смеси из банка данных базового управляющего комплекса IBM. Величина навески на каждых весах определяется рецептурой выбранной программы. Перед пуском производится контроль исходного состояния тензометрических весовых дозаторов 17, определяемого датчиками положения 15 исполнительных механизмов весов через устройство сопряжения 7. Опрос всех датчиков производится поочередно. Контроль «нуля» осуществляется поочередным опросом через устройство сопряжения 7. При превышении отклонений выше допустимого выводится сигнал неисправности тары, выдается команда на повторную разгрузку весов. После ликвидации неисправности тары производится повторный пуск.

Состояние исполнительных механизмов весов и р/с контролируется датчиками 15 исполнительных механизмов. Информация о температуре резиновой смеси температуре системы охлаждения р/с передается в базовый комплекс по каналам 16 передачи информации.

Модернизированные весовые дозаторы ОДСС — 5 и ОДСС - 10 обеспечивают загрузку бункера по времени в пределах 30 с. Максимально допустимая производительность дозатора для каждого ингредиента указана в (2.43). Из этих данных и табл. 2.2 несложно рассчитать время загрузки бункера для каждого ингредиента:

- время загрузки канифоли t

- время загрузки фталевого ангидрида t =---= 20с •

0,025кг/с

1 - управляющий базовый комплекс IBM; 2 - устройство ввода информации; 3 - монитор; 4 - принтер; 5,6,7 - устройства сопряжения; 8 - панель силового управления компьютера; 9 - шкаф силового управления; 10 — панель индикации и сигнализации; 11,12 — пульт местного управления; 13,14 -исполнительные органы р/с первой и второй стадий; 15 — датчики положения исполнительных механизмов; 16 - каналы передачи информации; 17 - тензометрические весы.

Рис.4.2. Структурная схема управления резиносмешением и дозированием

4,5кг

- время загрузки белил цинковых 015кг/с ~~ '

55кг

- время загрузки технич. углерода t - q 97кг/с ~~ ° • (4-1)

С одной стороны производительность дозатора третьей и четвертой позиций обеспечивают заданную погрешность дозирования ингредиентов, однако из-за высокого времени дозирования производительность технологического цикла оказывается весьма низкой. Производительность загрузки бункера можно увеличить без потери точности дозирования за счет изменения производительности дозирования в процессе наполнения бункера. Процесс дозирования разбивается на два этапа. На первом этапе задается ускоренная производительность, а на втором меньшая производительность, при которой достигается заданная погрешность дозирования.

Определим массу ингредиента шН2 на втором этапе дозирования через допуск номинального значения массы Агпн: тн2=САтн, (4.2) где С > 1 - задаваемый коэффициент. Тогда масса загрузки на первом этапе составит: mHi = mH - тн2 = тн - С Атн . (4.3)

Задаем время загрузки ингредиента ti на первом этапе. За это время производительность дозатора должна составлять: mH-CAmH кг Ql-----(4.4)

Тогда суммарное время дозирования составит :

С Amu t = t1+^c, (4.5) где Q2 - допустимая производительность дозатора на втором этапе.

Рассчитаем производительность дозатора на первом этапе дозирования белил цинковых и технического углерода при времени дозирования ti=

15 с, а также суммарное время дозирования при пятикратном значении допуска, т.е. при коэффициенте С = 5.

Для белил цинковых масса на первом этапе дозирования, согласно (4.3), должна составлять тн = 4,5 - 5-0,1 =4 кг. Производительность дозатора в этом случае должна быть:

Q, = 4/ 15 = 0,26 кг/с. На втором этапе производительность дозатора должна быть 0,15 кг/с (см. (2.43)), а время дозирования: t2 = 0,5/0,15 = 3,3 с. Суммарное время дозирования t на двух этапах будет равно: t = ti + t2 = 15 + 3,3 = 18,3 с. Таким образом, при заданной технологии дозирования время дозирования белил цинковых уменьшается на 12 с.

Для технического углерода аналогичные расчеты приводят к следующему результату: шн = 55 - 5-1,2 = 49 кг. Qi = 49 / 15 = 3,26 кг/с . t2 = 6 / 0,97 = 6,2 с. t = t, + t2= 15 + 6,2 = 21,2 с. Таким образом, при заданной технологии дозирования время дозирования технического углерода уменьшается на 36 с.

Сравнительный анализ показал, что в результате совершенствования методов и средств контроля дозирования ингредиентов резиновой смеси сокращен первичный брак резиновой смеси на 5 % , а также снижено фактическое потребление электроэнергии в 6 раз по сравнению со старой системой СУРД.

4.2 Описание метода контроля ширины кордного полотна

Контроль ширины кордного полотна основан на дифференциальном методе. Текущая ширина кордного полотна сравнивается с эталонной.

Непосредственному контролю ширины кордного полотна предшествует этап подготовки оптико-электронного прибора (ОЭП) к работе. Этап подготовки ОЭП включает две операции:

- калибровку ОЭП;

- настройку линейных увеличений объективов видеокамер.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований усовершенствованы методы и средства контроля технологического процесса приготовления резиновой смеси и технологического процесса профилирования заготовок. Научные результаты диссертационной работы сводятся к следующим утверждениям.

1 Разработан алгоритм анализа качества технологического процесса, который позволил выявить по основным участкам шинного производства технические средства контроля, не обеспечивающие получение надежной, объективной и оперативной информации о качестве продукции.

2 Установлено, что весовые дозаторы с рычажной системой при статическом контроле имеют высокую точность дозирования ингредиентов резиновой смеси. Однако при динамическом контроле это качество сохраняется только для связных ингредиентов, имеющих естественный угол откоса не менее 40°. К связным ингредиентам относятся белила цинковые. Из-за высокой амплитуды колебаний динамической массы и большого времени переходного процесса рычажная система не в состоянии обеспечить требуемую точность дозирования хорошо сыпучих ингредиентов. Для хорошо сыпучих ингредиентов с естественным углом откоса 25° - 35° возникает брак по массе. Для канифоли он составил 43% , технического углерода - 28% , фталевого ангидрида - 10% .

3 Задача модернизации весовых дозаторов решена переводом весов на тензометрическое взвешивание, при этом сохранена их основная конструкция. Разработаны инженерные методы расчета оптимальной производительности дозатора и расчет суммарной погрешности контроля дозирования массы ингредиента. Разработаны метод расчет оптимальной мгновенной массы ингредиента, при которой тензометрические весы должны дать команду на закрытие заслонки шнека.

4 Для повышения производительности технологического цикла дозирования резиновой смеси предложено разбить его на два этапа. На первом этапе задают ускоренную производительность дозатора, а на втором - оптимальную, когда достигается требуемая погрешность дозирования при максимальной скорости дозирования. Разработаны инженерные формулы расчета производительности на каждом этапе. Внедренная система контроля резиносмешением позволила сократить брак резиновой смеси до 5 % и повысить стабильность ее физико-механических показателей. Годовой экономический эффект составил 2658,3 тыс. руб.

5 Для контроля ширины кордного полотна применена система из двух видеокамер с многоэлементными фотоприемниками. Разработана инженерная формула расчета погрешности контроля ширины кордного полотна, в которой отражена зависимость погрешности ширины от амплитуды поперечных смещений протектора, увеличения объектива, уровня порога регистрации края протектора и размера аппаратной функции.

6 Экспериментально установлено, что доминирующий вклад в максимальную погрешность контроля ширины изделия, свыше 70 % , вносят поперечные смещения кордного полотна. В лабораторных условиях при увеличении оптической системы |3 « 0,72х , поперечных смещениях протектора с амплитудой ± 2 мм и частотой до 5 Гц погрешность контроля составила 0,23 мм. В производственных условиях погрешность не превышает 0,5 мм, что на порядок ниже допуска. Приборы контроля внедрены на двух линиях каландрового цеха. Системы обеспечивают ритмичность производства с экономическим эффектом 487 тыс. руб. в год.

7 Для контроля толщины изделия реализован триангуляционный метод с применением световой марки в форме двух светлых полос. О толщине изделия судят по смещению минимума сигнала в плоскости фотоприемника. Такая схема позволяет в 2 раза повысить чувствительность прибора по сравнению с традиционным использованием световой марки в виде одного светлого пятна. В лабораторных условиях погрешность контроля составила менее 0,05 мм. В производственных условиях погрешность контроля не превышает 0,07 мм. Оптико-электронный прибор, внедренный в систему контроля и управления технологическим процессом изготовления профилированных заготовок обеспечивает снижение брака на 3 %.

1. Авдеев С.П., Сидельников С.С. Метод оценки пространственного и энергетического разрешения пироэлектрических видиконов. // Техника телевидения. - 1988. - Вып. 2. - С. 37 —45.

2. Активный контроль размеров/ Под ред. С.С. Волосова М.: Машиностроение, 1984. 224с.

3. Амелькин В.В. Дифференциальные уравнения в приложениях. М.: Наука, 1987. - 160с.

4. Апенко М.И., Дубовик А.С. Прикладная оптика. М.: Наука, 1982, -352с.

5. Биргер И.А. Техническая диагностика.- М.: Машиностроение, 1978.-240с.

6. Битюцкий О.И., Вертопрахов В.В., Ладыгин В.И. и др. Оптико-электронная система бесконтактного контроля геометрических параметров полых цилиндров.// Автометрия. — 1995. №6. - С.69 - 74.

7. Бобков Ю.М., Шалагин Б.М. Автоматизированная система управления технологическим процессом изготовления резиновой смеси. // Научно-информационный сборник. М.: Изд. ФГУП «НИИ шинной промышленности», 1999. - Выпуск №5. С.31 - 33.

8. Бобков Ю.М., Шалагин Б.М. Проблемы метрологического обеспечения шинного производства ./ Доклады 4 -ой Международной конференции "Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов", 29-31 октября 1997г. Барнаул: АлтГТУ, 1997.-Т.4.-С. 16-19.

9. Бобков Ю.М., Шалагин Б.М., Маркин В.Б., Евстигнеев В.В. Выходной контроль продукции. // Сборник докладов четвертой Международной конференции «Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов». -Барнаул: Изд. АлтГТУ, 1997. -Т.4. С.137-143.

10. Н.Богомолов Е.Н., Василец Н.В., Кривенков Б.Е и др. Фотодиодный оптико электронный измеритель размеров "Сенсор"// Автометрия. 1989.-№5.- с. 83-91.

11. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970. - 856 с.

12. Быстров А.И. Технический контроль размеров в микроэлектронном производстве. М.: Радио и связь, 1988. - 168 с.

13. Васильев А.С. Основы метрологии и технические измерения.- М.: Машиностроение, 1988. -240с.

14. Гик Л.Д. Измерение вибраций. Новосибирск: Наука, 1972. - 291с.

15. ГОСТ 11.004 74. Прикладная статистика. Правила определения оценок и доверительных границ для параметров нормального распределения.

16. ГОСТ 15467 79. Управление качеством продукции. Основные понятия. Термины и определения.

17. ГОСТ 4.177 85 Приборы неразрушающего контроля качества материалов и изделий. Номенклатура показателей.

18. ГОСТ 8.207 76. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений.

19. Госьков П.И., Грозов В.И., Пронин С.П., Якунин А.Г. Особенности обработки дифракционной картины ПЗС фотоприемником // Автометрия - 19.

20. Гребенников О.Ф. Основы записи и воспроизведения изображения. -М.: Искусство, 1982.-239 с.

21. Дайчик M.JL, Пригоровский Н.И., Хуршудов Г.Х. Методы и средства натурной тензометрии. М.: Машиностроение, 1989. - 240с.

22. Датчики электрических и неэлектрических величин. // Тез. докл. к первой Международ, конф. «Датчик 93». -Барнаул: АлтГТУ, 1993. 4.1. -192 с.

23. Джессен Р. Методы статистических обследований/ Пер. с англ.; Под ред. Е.М. Четыркина .- М.: Финансы и статистика, 1985.- 478с.

24. Долинский Е.Ф. Обработка результатов измерений. — М.: Изд. стандартов, 1973.- 192с.

25. Ермаков С.М., Жиглявский А.А. Математическая теория оптимального эксперимента,- М.: Наука, 1987.-320с.

26. Иванов А.Л., Предко К.Г. Оптика люминесцентного экрана. Мн.: Наука и техника, 1984. - 271 с.

27. Ицкович Г.М., Минин Л.С., Винокуров А.И. Руководство к решению задач по сопротивлению материалов / Под. ред. Л.С. Минина. М.: Высш. шк., 2001. - 592с.

28. Каталымов А.В., Любартович В.А. Дозирование сыпучих и вязких материалов. Л.: Химия, 1990. — 240с.

29. Кирьянов Д.В. Самоучитель Mathcad 2001. Спб.: БХВ - Петербург, 2001.-544 с.

30. Краснов В.Н., Сахно С.П., Тымчик Г.С. Алгоритм поиска экстремальных значений видеосигнала ПЗС приемников // Приборостроение, 1986. №4.

31. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. -М.: Машиностроение, 1987. — 264 с.

32. Кухлинг X. Справочник по физике: Пер. с нем. М.: Мир, 1982. — 520с.

33. Лабу сов В. А., Плеханова И.В., Финогенов Л.В. Исследование апертур-ных характеристик фото диодных линеек. // Автометрия. 1989. - №5. -С.112- 117.

34. Лавров К.А. Тензометрические измерения в текстильной промышленности. М.: Легкая индустрия, 1979 - 112с.

35. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений. М.: Мир, 1990.-535с.

36. МИ 1925 88. ГСИ. Измерительные каналы информационно - измерительных систем и другие средства измерений с цифровым входом. Общие требования к порядку проведения автоматизированной поверки.

37. МИ 2083 90. ГСИ. Измерение косвенные. Определение результатов измерений и оценивание их погрешностей.

38. МИ 2091 90. ГСИ. Измерения физических величин. Общие требования.43 .Пискунов Н.С Дифференциальное и интегральное исчисление. М.: Наука, 1970.-Т.2. - 576с.

39. Плотников С.В. Сравнение методов обработки сигналов в триангуляционных измерительных системах // Автометрия. 1995. №6. с. 58-63.

40. Приборы и средства автоматизации. Отраслевой каталог. М.: ЦНИИ-ТЭИ приборостроения, 1986. - 109с.

41. Проектирование оптических систем./ Под ред.Р.Шеннона. М.: Мир, 1983.-432 с.

42. Пронин С.П. Оценка качества изображений с помощью амплитудных растров в приборах экспериментальной физики / Автореферат диссертации на соискание ученой степени д.т.н. — Барнаул : АлтГТУ, 2000.

43. Пронин С.П. Оценка качества информационно измерительной оптико - электронной системы. Монография. - Барнаул: АлтГТУ, 2001. — 123с.

44. Прудников А.П., Брычков Ю.А., Маричев О.И. Интегралы и ряды. М.: Наука, 1981.-800 с.

45. РМГ 29-99. ГСИ. Метрология. Основные термины и определения.

46. Рогинский Г.А. Дозирование сыпучих материалов. М.: Химия, 1978. -176с.

47. Румшинский JI.3. Математическая обработка результатов эксперимента.- М.: Наука, 1971.- 192с.

48. Скрибанов Е.В., Алексеев К.Б., Маркин С.В., Матвиенко В.И. Устройство для бесконтактного измерения линейных размеров с использованием матричных формирователей сигнала // Измерительная техника. — 1984. №5. С. 10-11.

49. Советский энциклопедический словарь/ Гл.ред. A.M. Прохоров.- 4-е изд.- М.: Сов. Энциклопедия, 1989. 1632с.

50. Сопротивление материалов / И.А. Цурпал, Н.П. Барабан, В.М. Швайко.-К.: Высш. шк., 1988. 254с.

51. Сопротивление материалов с основами теории упругости и пластичности./ Под ред. Г.С. Варданяна. М.: Изд. АСВ, 1993. - 487с.

52. Сопротивление материалов с основами теории упругости и пластичности / Под ред. Г.С. Варданяна. М.: Издательство АСВ, 1997. - 568с.

53. Справочник конструктора точного приборостроения / Под общ. ред. К.Н. Явленского, Б.П. Тимофеева, Е.Е. Чаадаевой. JL: Машиностроение, 1989. -792с.

54. Справочник по специальным функциям/. Под ред. М. Абрамовича и И. Стиган М.: Наука, 1979.-832с.

55. Статистические методы в инженерных исследованиях / Под ред. Г.К. Круга.- М.: Высш. Школа, 1983.-216с.

56. Тейлор Дж. Введение в теорию ошибок. Пер. с англ. М.: Мир, 1985.-272с.

57. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: Наука, 1975. -576.

58. Фаворин М.В. Моменты инерции тел. М.: Машиностроение, 1977. -511с.

59. Физичесий энциклопедический словарь / Гл. ред. A.M. Прохоров. М.: Советская энциклопедия, 1983. - 928 с.

60. Фрумкин В.Д., Рубичев Н.А. Теория вероятностей и статистика в метрологии и измерительной технике. М.: Машиностроение, 1987.-168с.

61. Энергономика зрительной деятельности человека / В.В. Волков и др. — JL: Машиностроение, 1989. 112 с.

62. Якушенков Ю.Г. Основы теории и расчета оптико-электронных приборов. М.: Машиностроение, 1971. - 336 с.

63. Hein H-R, Ellmann М, Hatzmann М.// Доклады конференции "Tire Teach 94" Простор, 1996.- №6.- С.13-17.

64. Krattermacher G. Berihrungslose optische Abstandmessung // Electronic. 1987. 36,№5. S. 69-74.