СЕВАСТОПОЛЬСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Мешков Володимир Вікторович

УДК 681.516.73

АВТОМАТИЗОВАНА СИСТЕМА УпраВліННЯ
ГЕНЕРАТИВНИМ ТЕХНОЛОГІЧНИМ ПРОЦЕСОМ
ПО ТЕПЛОВОМУ СТАНУ ЗАТВЕРДілоГО ШАРУ

05.13.07 - автоматизація технологічних процесів

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Севастополь - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Севастопольському національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України на кафедрі автомобільного транспорту.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Торлін Вадим Миколайович, Севастопольський національний технічний університет, завідувач кафедрою автомобільного транспорту.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Копп Вадим Якович, Севастопольський національний технічний університет, завідувач кафедрою автоматизованих приладних систем.

кандидат технічних наук, доцент Остапченко Костянтин Борисович, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", кафедра технічної кібернетики.

Захист відбудеться “ 14 ” вересня 2007 року о 13.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 50.052.02 у Севастопольському національному технічному університеті за адресою: 99053, Україна, м. Севастополь, вул. Університетська, 33.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Севастопольського національного технічного університету за адресою: 99053, Україна, м. Севастополь, вул. Університетська, 33.

Автореферат розісланий “ 28 ” липня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої
вченої ради к.т.н., доцент В.О. Крамарь

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Методи, які активно розвиваються на цей час і засоби генеративних технологій, які називаються також RP-технологіями (Rapid Prototyping), широко використовують пряме числове програмне управління процесами формоутворення виробів. Майже всі RP-методи, які застосовуються, працюють за принципом нарощування припуску на генерованому виробі за рахунок переміщення формотворного органа по заданій траєкторії, серед них найбільш універсальним є FDM-метод (Fused Deposition Modeling). Якість виготовленого такими методами виробу, його геометричні й фізико-механічні характеристики, повністю визначаються характером протікання процесу затвердіння генерованих обсягів матеріалу. Швидкість відтворення комп'ютерної моделі виробу у вигляді твердого тривимірного об'єкта, є причиною того, що ці технології знайшли широке застосування в сучасному гнучкому багатономенклатурному швидкозмінному виробництві. За допомогою RP-технологій провідні фірми Європи, Азії й Америки сьогодні починають виробляти в великих обсягах прес-форми, ливарні форми й моделі, пуансони й матриці складної конфігурації для штампів, витісняючи традиційне фрезерування цих виробів на верстатах з ЧПУ. Однак, показники якості виробів, виготовлених генеративним шляхом, поки поступаються показникам, що досягаються традиційними методами. Для рішення проблеми в технологічний процес впроваджують засоби контролю й регулювання параметрів процесу, що обумовлює необхідність рішення ряду завдань по вдосконаленню системи управління, серед яких однією з основних є задача розробки математичної моделі об'єкта управління. У цьому випадку об'єктом управління (ОУ) є процес затвердіння обсягів, які знов утворюються, для опису якого необхідно використання диференціальних рівнянь теплопередачі і термопружності, які звичайно застосовуються для опису поводження системи з розподіленими параметрами. Дослідженню таких систем присвячені роботи О.Т.Барабанова, А.Г.Бутковского, А.А.Шевякова, В.І.Финягиной, Б.Н.Дралюк, Т.К. Сиразетдинова, В.О.Кубышкина, Ф.Д.Пряшникова, Е.П.Ушакова та ін., в яких розроблені методи аналізу й синтезу систем з розподіленими параметрами, вирішено ряд завдань для різних технологічних процесів, однак, процеси управління генеративними технологіями досліджені ще недостатньо.

У зв'язку із чим, рішення комплексу завдань, пов'язаних з удосконаленням систем управління генеративними технологічними процесами, шляхом введення в них регуляторів процесу, що дозволяє підвищити якість виготовлених виробів, на цей час є актуальним науково-технічним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у рамках тематичних планів НДР Севастопольського національного технічного університету на базі держбюджетної теми “Методи підвищення якості виробів машиноприладобудування складної конфігурації, які виготовляються за принципом нарощування припуску”, шифр РЕОЛОГІЯ, номер державної реєстрації 0103U001423 (здобувач працював молодшим науковим співробітником), тема виконувалася за наказом МОН України № 746 від 07.11.2003 р. у період 2003–2006 р.

Мета й завдання дослідження. Метою роботи є розробка системи управління генеративним технологічним процесом, що забезпечує підвищення якості виготовлених виробів за рахунок введення в систему управління, додаткового контуру стабілізації вихідних показників процесу.

Для реалізації поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання:

ѕ розробити математичну модель ОУ;

ѕ розробити систему управління генеративним технологічним процесом, що здійснює стабілізацію вихідних показників;

ѕ досліджувати динамічні характеристики розробленої системи управління;

ѕ експериментально перевірити адекватність розроблених математичних моделей;

ѕ експериментально перевірити якісні показники роботи створеної системи управління.

Об'єкт дослідження – технологічний процес виготовлення виробів на основі генеративних технологій.

Предмет дослідження – система управління генеративним технологічним процесом, по тепловому стану затверділого шару.

Методи дослідження – при розробці математичної моделі ОУ використовувався метод поділу змінних у диференціальних рівняннях нестаціонарної теплопровідності і термопружності, при побудові передатної функції ОУ використовувався метод інтегральних перетворень, а також методи статистичної обробки результатів експериментів. При проведенні експериментів використовувалися методи натурного й фізичного моделювання.

Наукова новизна результатів роботи полягає у розвитку методології автоматизованого управління FDM-процесом для підвищення ефективності і якісних показників технологічного процесу. Новими науковими результатами є:

ѕ вперше шляхом безпосереднього інтегрування диференціальних рівнянь теплового стану генерованого об'єкта отримана математична модель FDM-процесу, у вигляді передатної функції, що зв'язує відхилення форми утворювальної поверхні, прийнятого як вихідна координата, і швидкості переміщення формотворного органа, прийнятої як вхідний вплив, що дозволило реалізувати принцип регулювання по відхиленню;

ѕ обґрунтовано спосіб непрямого виміру регульованої величини за допомогою радіаційного пірометра, що послужив основою синтезу автоматичного регулятора FDM-процесу по тепловому стану затверділого шару;

ѕ вперше встановлено, що система автоматичного управління FDM-процесом, побудована за принципом регулювання відхилень форми поверхні, що утворюється, шляхом зміни швидкості переміщення формотворного органа дозволяє підвищити якісні показники досліджуваного технологічного процесу.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблена в дисертації система управління технологічним процесом нарощування припуску, дозволяє завдяки введенню зворотного зв'язку по тепловому стану затверділого шару, підвищити його якісні показники, в результаті чого підвищиться конкурентоспроможність і ефективність досліджуваного автоматизованого об'єкта. Запропоновані технічні рішення й розроблене програмне забезпечення передане для використання на ряд підприємств: ТОВ ССЗ “Лазаревськое адміралтейство”, м.Севастополь, ВАТ “Харківський тракторний завод” ім. С.Орджонікідзе, м. Харків.

Наукові положення, виводи й рекомендації, які представлені в роботі, використовуються в навчальному процесі факультету технології автоматизації машиноприладобудування і транспорту Севастопольського національного технічного університету.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертаційної роботи, які виносяться на захист, отримані автором особисто. У роботах виконаних у співавторстві, автором запропонований критерій оцінки якості виробів [3], розроблений спосіб управління процесом затвердіння [4], синтезована схема автоматичного регулятора процесу [5], розроблено програмне забезпечення досліджуваного технологічного процесу [6], запропонований алгоритм управління технологічним процесом [7].

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на: Міжнародній науково-технічній конференції “Автомобільний транспорт” в секції технології машинобудування й ремонту машин (м. Харків, 2003), міжнародній науково-технічній конференції “Автомобільний транспорт: проблеми й перспективи” в секції технології машинобудування й ремонту машин (м.Севастополь, 2002, 2003), міжнародній науково-технічній конференції “Автоматизація: проблеми, ідеї, рішення” (м.Севастополь, 2005), шостій науково-технічній конференції “Приладобудування: стан і перспективи” (м.Київ, 2007).

Публікації. За результатами наукових досліджень опубліковано 6 статей у виданнях рекомендованих ВАК України, отримано один патент.

Структура й обсяг дисертації. Структура дисертаційної роботи включає: вступ, чотири розділи основної частини, виводи, список використаних джерел (107 найменувань) і додатки. Повний обсяг дисертації становить: 180 сторінок, 62 ілюстрації, 10 таблиць і 8 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У введенні обґрунтована актуальність досліджень, сформульовані мета й основні завдання, дана характеристика наукової новизни й практична значимість отриманих результатів, наведені результати впровадження й практичної реалізації основних результатів.

Перший розділ “Огляд методів управління FDM-процесами, постановка задач дослідження” присвячений аналізу літературних джерел, патентної літератури й виробничих завдань, пов'язаних з автоматизацією технологічних процесів у виробництвах, що розвивають новий напрямок, який називають – генеративні технології. Для формування мети й завдань досліджень були проаналізовані проблеми забезпечення якості виробів, генерованих за допомогою RP-технологій, методи рішення завдань автоматизації подібних процесів, докладно проаналізований FDM-процес. Аналіз показав, що пряме числове програмне управління подібними процесами не дозволяє забезпечити необхідний рівень якості виробів, що спричиняє необхідність удосконалення системи управління шляхом оснащення її засобами автоматичного регулювання. Розглянуті аналоги, в яких технологічний процес представлений як об'єкт управління, вихідними координатами якого є характеристики готового виробу, керуючими впливами - режими формоутворення, а як збурювання приймаються відхилення властивостей вихідного матеріалу. Відмітною рисою досліджуваного технологічного процесу є наявність у ньому процесу затвердіння виробу, що супроводжується теплопередачею й тепловими деформаціями затверділих обсягів. Такі процеси описуються диференціальними рівняннями в частинних похідних, а відповідні об'єкти управління називаються розподіленими об'єктами.

Виконано аналіз методів побудови систем управління з розподіленими параметрами, показано, що для вдосконалення системи управління розглянутого технологічного процесу, при розробці математичної моделі об'єкта управління й синтезі автоматичного регулятора необхідно одержати ряд нових рішень задач теплопровідності і термопружності, побудувати передатну функцію досить складного розподіленого об'єкта, зробити аналіз динамічних характеристик розроблювальної системи управління. За результатами огляду сформульовані мета й завдання досліджень.

У другому розділі “Розробка математичної моделі об'єкта управління”, розглянутий технологічний процес представлений у вигляді двох складових: ОУ й пристрою управління, рис. 1. В якості ОУ розглядається FDM-установка із процесом формоутворення виробів. Цей процес є основною динамічною ланкою розроблювальної системи управління.

В якості вихідної координати прийнято відхилення форми виробу , а задавального вплива - швидкість переміщення сопла . Були визначені можливі значення обурювальних впливів: відхилення фізико-механічних властивостей вступного матеріалу , відхилення вологості матеріалу , відхилення температури нагрівання , відхилення температури охолоджувального середовища .

Рис. 1. Схема FDM-установки: ОУ – об'єкт управління; ПУ – пристрій управління; 1, 6, 7 – приводи переміщення; 2 – платформа; 3 – сопло; 4 – нагрівальний елемент; 5 – пристрій подачі матеріалу; 8 – блок управління FDM-установки; 9 – виріб, який формується; 10 – ПЕОМ; - управління механізмом нагрівання матеріалу.

Розглянуто різні варіанти виміру відхилення форми виробу. За результатами аналізу встановлено, що в процесі затвердіння матеріал змінює агрегатний стан, і безпосередній вимір розмірів генерованого виробу не представляється можливим.

У зв'язку із цим, запропонований і запатентований непрямий спосіб виміру, що полягає в наступному. Дистанційно, за допомогою швидкодіючого терморадіційного датчика температури - пірометра, періодично виміряється температура в одній точці поверхні виробу на певній відстані від сопла. Потім, відповідно до отриманого аналітичного виразу для температурного поля в зоні формоутворення за результатами виміру температури в одній точці відновлюється температурне поле по всій зоні формоутворення, за допомогою якого потім обчислюються поточні значення величин теплових деформацій. Підтримка величини відхилень виникаючих деформацій у заданих межах і є основним завданням розроблювальної системи автоматичного регулювання.

Для розробки динамічної моделі ОУ розглянуті диференціальні рівняння, що описують процеси остигання шару, який утворюється і його деформування при затвердінні. Динамічна модель ОУ розроблялася методом безпосереднього інтегрування цих рівнянь при заданих початковому і граничних умовах. Для опису процесу остигання використовувалося рівняння

, (1)

де , - коефіцієнти теплопровідності й теплоємності матеріалу виробу, - час, - температура в i-м обсязі затверділого шару, рис.2,

Рис. 2. Схема процесу генерації i-го обсягу

при наступних граничних і початковому умовах:

ѕ на вільних поверхнях, де здійснюється конвективний теплообмін, мають місце граничні умови III-го роду

, (2)

де - коефіцієнт тепловіддачі на -ой поверхні, - температура навколишнього середовища;

ѕ на поверхні, де i-й обсяг контактує з розплавленою масою , має місце гранична умова I-го роду

, (3)

де - температура формотворної маси, що надходить із сопла;

ѕ на поверхні, де i-й обсяг контактує з основою, що має температуру , будуть також граничні умови I-го роду

, (4)

ѕ початкова умова завдання припускає, що при i-й обсяг мав температуру =0,8 , - температура плавлення матеріалу

. (5)

При затвердінні кожного шару в силу перепаду температур у масі, що твердіє, виникають теплові деформації , рис. 3, величина яких і являє собою кількісну оцінку якості FDM-процесу.

Рис. 3. Теплові деформації затверділого шару

Для визначення вирішувалась наступна задача термопружності:

, (6)

де , , - модуль пружності й коефіцієнт Пуассона виробу, а функції й задовольняють рівнянням

, (7)

, (8)

де , , - параметри Ляме, , - коефіцієнт лінійного розширення, - температурне поле i-го обсягу.

Рішення задачі теплопровідності (1) – (5) для обсягу отримано у вигляді:

, (9)

інтегрування рівнянь (7) - (8) дає:

, (10)

, (11)

постійні інтегрування визначені з початкової й граничної умов. Підстановка (10) і (11) в (6) після інтегрування по дає шукану функцію:

, (12)

де , , - константи, = 1, 2, 3. Для i-го обсягу при 0.1 мм із виразу (12) було встановлено зв’язок між й :

. (13)

Залежність показана на рис.4.

Рис. 4. Залежність від

Отримані рішення диференціальних рівнянь були використані для побудови передатної функції процесу:

. (14)

Зображення й отримані шляхом перетворення Карсона-Хевісайда для запізнілого аргументу , де - час запізнювання, який витрачено на проходження шару уздовж осі X відстані від сопла до точки виміру температури:

, (15)

де , , , , .

Зображення для одиничного східчастого впливу має вигляд:

, (16)

а передатна функція основного процесу буде наступного виду

. (17)

У розділі також зроблена оцінка діапазонів зміни змінних керованого процесу й визначене початкове значення впливу. Для визначення початкової уставки розглянуте задача оптимізації. Як функція мети прийнято вираз максимальної продуктивності процесу

, (мм3/с) (18)

де - висота -го шару, яка рівняється його ширині; - швидкість переміщення сопла.

Обмеження представлені у вигляді:

(19)

де - константи.

Задача (18) - (19), являє собою класичну задачу нелінійного програмування з обмеженнями у вигляді нерівностей

(20)

рішення якої отримано методом множників Лагранжа.

У третьому розділі “Структурний і параметричний синтез системи управління FDM-процесом” розроблена загальна схема системи управління досліджуваним технологічним процесом. До ії складу ввійшли блоки, що представляють ОУ і блоки регулятора. Регулятор містить вимірювальний елемент - пірометр мод. Raytek MT4, що дозволяє дистанційно, із затримкою 0.1...0.4 с, вимірювати температуру в заданій точці поверхні виробу, рис. 5.

Рис. 5. Схема роботи вимірювального елемента: 1 – формотворна головка; 2 – сопло; 3 - датчик температури.

Виміри здійснюються в такий спосіб. Формотворна головка 1 установки переміщується в напрямку зі швидкістю , створюючи черговий шар товщиною . Від сопла 2 на відстані встановлений датчик температури 3 (пірометр), що вимірює температуру в точці А, величину якої назвемо . Тому що А відстоїть від осі сопла на відстані , то сигнал виробляється через час с - час запізнювання.

Структурна схема розробленої системи автоматичного управління представлена на рис. 6.

Рис. 6. Структурна схема системи управління

Система містить наступні ланки. Насамперед, це регульований технологічний процес ( ), що протікає в регульованому об'єкті. З блоком зв'язаний датчик зворотного зв'язку , який реагує на зміну температури в заданій точці об'єкта . Далі сигнал від датчика перетворюється в блоці в чисельну величину – температуру , значення якої надходить у функціональний блок , де обчислюється поточне значення , яке потім надходить у блок порівняння 1, там воно зрівнюється з допустимим значенням , а потім величина неузгодженості надходить у блок , у якому обчислюється величина пропорційна , з урахуванням знака відхилення . Далі величина надходить на суматор 2. Потім скоректована величина подачі із суматора 2 надходить через підсилювально-перетворювальний блок ( ) у блок управління приводом у вигляді фактичного сигналу швидкості переміщення. У схему так само входить пристрій числового програмного управління ( ) і привод ПЧПУ ( ), які відпрацьовують вступний сигнал. ПЧПУ має самостійний контур зворотного зв'язку, що містить датчик швидкості ( ) і перетворювач ( ), внутрішній, стосовно зовнішнього контуру по . Таким чином, коректуючи вхідне значення , система управління підтримує значення вихідної величини в заданих межах.

Для дослідження динамічних характеристик розробленої системи автоматичного управління, побудовані передатні функції для розімкненої й замкненої систем. Для розімкненої в точці (рис. 6) схеми побудована передатна функція виду:

, (21)

де - передатна функція блоку , - передатна функція блоку , - передатна функція блоку , - передатна функція датчика температури , - передатна функція блоку , - передатна функція блоку , - передатна функція блоку , - передатна функція датчика швидкості , - передатна функція блоку , - передатна функція блоку .

Блок був представлений коливальною ланкою, його передатна функція має вигляд:

, (22)

де - коефіцієнт передачі ланки; - параметр загасання.

Передатна функція датчика , що моделюється аперіодичною ланкою I-го порядку, визначається виразом

, (23)

де - коефіцієнт передачі ланки; - постійна часу датчика.

Аналіз постійних часу обчислювальних блоків і блоків УЧПУ ( 10-5. . 10-6 с) показав, що для розглянутого процесу ці блоки можна розглядати як безінерційні ланки, їхні передатні функції дорівнюють постійній величині (коефіцієнту передачі): , , , , , .

З обліком (17), (22), (23) передатна функція (21) має вигляд:

,(24)

де , , , , .

Далі отримана частотна передатна функція розімкненої системи, заміною , а функції обчислені з дискретністю 0,1 мм:

, (25)

або у вигляді комплексного числа:

, (26)

де .

Для замкненої системи передатна функція має такий вигляд:

. (27)

Частотна передатна функція для замкненої системи отримана у вигляді:

, (28)

де , .

Аналіз стійкості системи вироблявся за допомогою критерію Найквіста. Для розімкненої системи амплітудно-фазова частотна характеристика показана на рис. 7, а.

а) б)

Рис. 7. Амплітудно-фазові частотні характеристики системи: а) розімкненої; б) замкненої.

Розімкнена система, як слід з рисунка 7, а, стійка, тому що амплітудно-фазова частотна характеристика не охоплює точку (-1, ). Для замкненої системи амплітудно-фазова частотна характеристика показана на рис.7, б. Замкнена система також стійка.

Для визначення показників якості процесів регулювання по знайденій передатній функції замкненої системи (27) побудована перехідна характеристика методом Солодовникова В.В. рис. 8.

Рис. 8. Перехідний процес при типовому одиничному збурюванні

Як видно з рис. 8, всі показники якості перехідного процесу перебувають у межах допуску .

У четвертому розділі “Експериментальна перевірка адекватності розроблених математичних моделей і якості регулювання створеної системи управління” представлені результати експериментів, виконаних на FDM-установці з удосконаленою системою управління. Існуюча FDM-установка фірми Stratasys (USA) (рис. 9), оснащена системою управління, що реалізує пряме числове програмне управління цифровими приводами, що стежать, за допомогою програмних засобів ЧПУ установки.

Риc. 9. Загальний вид експериментальної установки: 1 - робоча камера; 2 - стійка; 3 - пульт управління; 4 - робоча головка.

В існуючу схему ЧПУ через інтерфейс зв'язку із зовнішніми пристроями уведений розроблений регулятор.

Перша серія експериментів була виконана з метою перевірки адекватності розроблених математичних моделей процесу. Перевірялися залежності зміни температурного поля шару виробу, що утворюється, від часу. Вимір на зовнішніх поверхнях здійснювався за допомогою цифрового пірометра Raytek mod. MT4, на поверхні, що контактує з подложкой вимір, температури здійснювався за допомогою термопари, термоЕДС, від якої через мультиметр UT70B, оснащений стандартним серійним портом RS232C, передавався на ПЕОМ. Проведені дослідження показали, що відхилення експериментальних і теоретичних даних становить 19.4 %.

Друга серія експериментів проводилася з метою перевірки працездатності вдосконаленої системи управління. Для цього в стабільно протікаючий процес формоутворення вносилося збурювання - в робочій камері штучно різко знижувалася температура (включенням додаткового вентилятора), що змінювало швидкість затвердіння й величину . Реакція системи управління на зміну показана на рис. 10, а.

а) б)

Рис. 10. Реакція системи управління на дію збурювань: а) зміна температури ; б) зміна властивостей вихідного матеріалу; - з регулюванням; - без регулювання.

У другій частині експерименту, для оцінки реакції системи управління на збурювання, викликане зміною властивостей вихідного матеріалу, в установку подавався пластмасовий дріт зі зниженим модулем пружності, на певній ділянці, рис.10, б, інші параметри технологічного процесу не змінювалися. З рис. 10 видно, що незважаючи на дію збурювань система управління стабілізує регульовану величину, крива .

ВИВОДИ

В дисертації вирішено актуальне науково-технічне завдання, що полягає в удосконаленні системи управління генеративним технологічним процесом шляхом введення в неї автоматичного регулятора, що забезпечує підтримку основних показників якості генерованого виробу в заданих межах. Рішення отримане методом безпосереднього інтегрування вихідної системи диференціальних рівнянь в частинних похідних при заданих початкових умовах і впливах, що обурюють, у вигляді граничних умов. В ході виконання роботи отримані наступні наукові й практичні результати:

1. Показано, що проблема якості виробів, виготовлених за допомогою генеративних технологічних процесів, може бути вирішена шляхом удосконалення систем управління такими процесами, за рахунок введення в них регуляторів, що стабілізують вихідні показники виробів.

2. Запропоновано методику побудови математичної моделі розподіленого об'єкта управління, описуваного системою диференціальних рівнянь в частинних похідних, що полягає в безпосередньому інтегруванні вихідної системи диференціальних рівнянь із наступною побудовою його передатної функції за допомогою інтегрального перетворення Карсона-Хевісайда.

3. Запропоновано алгоритм управління й структурна схема системи автоматизованого управління генеративним технологічним процесом, яка побудовані на основі методу непрямого виміру регульованої величини.

4. Встановлено, якщо використовувати як чутливий елемент розроблювальної схеми автоматичного регулятора радіаційний пірометр, то час запізнювання регулюючого впливу викликає похибку виміру до 6,5 %.

5. Показано, що розроблена система автоматичного регулювання з додатковим контуром зворотного зв'язку стійка, тому що для неї в розімкненому і замкненому виді виконується умова критерію Найквіста.

6. Визначено запас стійкості по показнику коливання рівному 1.2522, що свідчить про те, що розроблена система перебуває досить далеко від межі стійкості.

7. Для розробленої системи регулювання зроблена побудова перехідного процесу при типовому одиничному збурюванні. Визначено показники якості процесу регулювання: максимум перерегулювання = %, час регулювання = 4,09 з, число коливань = 4 регульованої величини протягом часу перехідного процесу , власна частота коливань системи = (с-1), логарифмічний декремент загасання системи = 0,27.

8. Запропонований метод регулювання FDM-процесу дозволяє знизити похибку форми виробу при максимально можливій дії збурювань на 23,7 %.

9. Експериментально перевірена адекватність розроблених математичних моделей. Максимальна величина відхилення теоретичних і експериментальних даних становить 19,4%.

10. Експериментальна перевірка працездатності розробленої системи автоматичного регулювання FDM-процесу, яка зроблена на базі плати АЦП L-154, ПЕОМ Intel Celeron 1700 Гц із використанням пірометра моделі Raytek MT4, показала, що при різкій зміні збурювання на 30% система стабілізує регульовану величину із затримкою 2 с, що в остаточному підсумку веде до відхилення регульованої величини на 3,2% при допуску 5%.

11. Розроблений метод регулювання генеративного технологічного процесу запатентований, документація на дану САР передана для використання на ряд підприємств України. Отримані результати використовуються в навчальному процесі факультету ТАМПТ Севнту.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Мешков В.В. Исследование устойчивости распределенной системы с дополнительным контуром стабилизации качества//Оптимизация производственных процессов : Сб. научн. тр. – Севастополь, 2006. – Вып. 9. – с.117-121.

2. Мешков В.В. Управление процессом затвердевания объекта, производимого методом FDM-технологии // Вестник СевГТУ. Автоматизация процессов и управление: Сб. научн. тр. – Севастополь, 2004. – Вып. 58. – с.164-168.

3. Мешков В.В., Торлин В.Н. Разрушение вязко-упругих тел неоднородной структуры // Вестник СевГТУ. Механика, энергетика, экология: Сб. научн. тр. – Севастополь, 2004. – Вып. 55. – с.53-56.

4. Торлин В.Н., Фалалеев А.П., Мешков В.В., Огрызков С.В. Оптимизация параметров процесса производства твердотельного объекта методом свободного экструзирования // Оптимизация производственных процессов: Сб. научн. тр. – Севастополь, 2003. – Вып. 6. – С.14-19.

5. Торлин В.Н., Фалалеев А.П., Мешков В.В., Огрызков С.В. Управление процессом формообразования при изготовлении деталей методами быстрого прототипирования // Вестник СевГТУ. Автоматизация процессов и управление: Сб. научн. тр. – Севастополь, 2002. – Вып. 36. – с.63-66.

6. Торлин В.Н., Фалалеев А.П., Мешков В.В., Огрызков С.В. Использование rp-технологий в кузовном ремонте // Автомобильный транспорт. Сб. научн. тр. – Харьков, 2003. – Вып. 13. – с.81-83.

7. Пат. 59967А Україна, МКИ В29С47/78. Спосіб виробництва тривимірних об’єктів складної конфігурації: Пат. 59967 А Україна, МКИ В29С47/78 / В.М.Торлін, В.В.Мешков, С.В.Огрізков, А.П.Фалалеєв. – № 2003010012; Заявл. 02.01.03; Опубл. 15.09.03, Бюл. № 9. – 3 с.

АНОТАЦІЯ

Мешков В.В. „Автоматизована система управління генеративним технологічним процесом по тепловому стану затверділого шару”. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 – автоматизація технологічних процесів. - Севастопольський національний технічний університет, Севастополь, 2007.

В дисертації розроблена і обґрунтована методика підвищення якісних показників технологічного процесу що дозволяє при виготовлені виробів машиноприладобудування, ливарних форм і прес-форм методом нарощування припуску, зменшити відхилення форми виробу, які викликані процесом його пошарового затвердіння.

Для даного технологічного процесу отримане рішення комплексу крайових задач, що описують розподілений об'єкт із запізнюванням.

На базі рішення комплексу крайових задач для розподіленого об'єкта розроблена система управління зі зворотним зв'язком, що дозволяє стабілізувати значення вихідних параметрів. Досліджена стійкість отриманої системи управління. Всі теоретичні положення підтверджені експериментально на діючому програмно-керованому обладнанні, розходження результатів не більш 19,4 %.

Ключові слова: генеративні технології, розподілені параметри, запізнювання, зворотний зв'язок, перехідний процес, стійкість системи регулювання, нарощування припуску.

АННОТАЦИя

Мешков В.В. Автоматизированная система управления генеративным технологическим процессом по тепловому состоянию затвердевающего слоя. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 – Автоматизация технологических процессов. Севастопольский национальный технический университет, Севастополь, 2007.

Диссертация посвящена вопросам разработки автоматизированной системы управления генеративным технологическим процессом на базе теории систем с распределенными параметрами.

Отмечается, что в настоящее время генеративные технологии находят широкое применение в различных производствах в связи с тем, что их использование значительно сокращает время подготовки производства на новые изделия. Однако, пока качество изготовления сложных форм с помощью генеративных технологий уступает традиционным технологиям, что связано с отсутствием в существующих технологических процессах средств контроля и регулирования выходных параметров процесса. В связи с чем, в работе поставлены и решены задачи синтеза систем автоматического регулирования процессами, основанными на принципе наращивания припуска.

На базе решения комплекса краевых задач для дифференциальных уравнений в частных производных разработана математическая модель распределенного объекта управления, которая связывает регулируемую величину (отклонение формы изделия) с величиной управляющего воздействия (скоростью перемещения формообразующего органа).

Произведен синтез автоматического регулятора, который реализует разработанный алгоритм регулирования. Метод регулирования и соответствующий ему алгоритм заключается в том, что ввиду невозможности непосредственного измерения отклонения размеров и формы твердеющего изделия, предлагается об изменении выходной величины судить косвенно, по тепловому состоянию затвердевающего слоя изделия. Для этого применяется пирометр, позволяющий дистанционно измерять температуру затвердевающего слоя и с помощью вычислительного блока определять соответствующую ей деформацию изделия.

Разработанная система автоматического регулирования была исследована на устойчивость, для чего построена передаточная функция системы и амплитудно-фазовые характеристики разомкнутой и замкнутой систем. Для исследования устойчивости использовался критерий Найквиста.

Была проведена оценка качества регулирования по частотному критерию – запасу устойчивости, который оценивался по показателю колебательности. Построена переходная характеристика процесса регулирования и определены показатели качества процесса регулирования: максимум перерегулирования, время регулирования переходного процесса, число колебаний регулируемой величины в течении времени переходного процесса, собственная частота колебаний системы, логарифмический декремент затухания системы.

Произведена экспериментальная проверка адекватности разработанных моделей и работоспособности усовершенствованной системы.

В результате показано, что стабилизировать величину остаточных тепловых деформаций затвердевающего слоя можно регулированием величины скорости перемещения формообразующего органа, что позволило повысить качественные показатели исследуемого технологического процесса.

Разработанная система автоматического регулирования использована при управлении технологическими процессами изготовления на FDM-установке литейных моделей и форм опытных образцов изделий ОАО ССЗ “Лазаревское адмиралтейство”, г.Севастополь и ОАО “Харьковский тракторный завод им. С.Орджоникидзе”, г. Харьков.

Ключевые слова: генеративные технологии, распределенные параметры, автоматический регулятор, запаздывание, обратная связь, переходный процесс, устойчивость системы регулирования, наращивание припуска.

ABSTRACT

Meshkov V.V. Free form fabrication technology automated control system by the thermal state of solidified layer. – Manuscript.

The dissertation for a degree of candidate of engineering science by specialty 05.13.07 - Automation of technological processes. Sevastopol national technical university, Sevastopol, 2007.

The importing scientific and technical task in the field of automation of technological processes of the modern computer aided manufacture was solved in the dissertation. The qualitative parameters of free form fabrication technology were increased by the way of target parameters of process feedback introduction, that raises efficiency and competitiveness of researched automated object.

To the decisions of a complex of regional tasks for the allocated object with delay the communications between parameters by the developed new control system with a feedback are established.

The scientific results, received in the dissertation, conclusions and recommendations are theoretically proved by the decisions of regional problems of mathematical physics and theory of automatic control. Their reliability is confirmed by results of experiments on the working program-controlled equipment.

The control system of the part growing process, developed in the dissertation, allows due to the introduction of a temperature parameters feedback to increase the quality.

Key words: allocated parameters, delay, feedback, transient process, system stability, free form fabrication.

Підписано до друку 25.07.07 . Формат 60x90 . Папір офсетний.

Гарнітура Times. Тираж 100 прим. Замовлення № 27.

Видавництво Севнту, НМЦ, 23-52-10.

99053, м.Севастополь, вул. Університетська, 33

E-mail: nmc@sevgtu.sebastopol.ua