Автоматизация технологического процесса плазменно-электролитического оксидирования на основе контроля толщины покрытия по электрическим характеристикам Фаткуллин Азамат Раисович

Введение к работе

Актуальность темы. Плазменно-электролитическое оксидирование (ПЭО) представляет собой технологический процесс, применяемый для получения износостойких, коррозионностойких, диэлектрических, теплостойких, декоративных и других функциональных покрытий на легких металлах и сплавах. Высокое качество покрытий, получаемых данным методом, обусловливает расширение их использования в областях промышленности, связанных с авиастроение, автомобилестроением, судостроением и другими. В качестве одного из основных преимуществ процесса ПЭО следует отметить использование экологически безопасных электролитов, а также отсутствие необходимости применения низкотемпературного холодильного оборудования для получения относительно толстых покрытий.

Автоматизация процесса ПЭО позволяет повысить его эффективность,
улучшить качество обработки, уменьшить энергопотребление, снизить
количество бракованных изделий. При автоматизации необходимо учитывать,
что ПЭО является сложным и нелинейным процессом, который проводится при
высоких напряжениях (400-700 В), и качество поверхностного слоя существенно
зависит от работы технологического источника питания, особенно для перспек
тивных импульсных биполярных режимов оксидирования. Кроме того, при
автоматизации процесса ПЭО в современных условиях необходимы

автоматизированные системы управления технологическим процессом (АСУ ТП), обеспечивающие текущий контроль параметров состояния поверхностного слоя для получения покрытий с требуемыми характеристиками. Однако подобные контуры контроля не относятся к стандартным техническим средствам автоматизации, что приводит к необходимости разработки научных основ их функционирования.

Известно, что в ходе ПЭО, проводимого в импульсном режиме, в цепи электролизера возникают электрические переходные процессы, характеристики которых напрямую зависят от условий обработки и текущего состояния поверхностного слоя. Таким образом, одним из путей получения информации о состоянии поверхности в ходе обработки является исследование электрических характеристик цепи электролизера как реакцию на входные импульсные воздействия, генерируемые источником питания.

Таким образом, возникает необходимость решения актуальной научной задачи, связанной с автоматизацией технологического процесса ПЭО в перспективном импульсном биполярном режиме на основе контроля толщины покрытия по электрическим характеристикам.

Степень разработанности темы. Для решения поставленных в диссертационной работе задач проведен анализ работ ученых, внесших значительный вклад в методологию создания защитных покрытий на легких металлах и сплавах. Изучены разработки В.В. Баковца, П.Н. Белкина, С.В. Гнеденкова, А.Л. Ерохина, А.И. Мамаева, В.С. Мухина, А. Маттьюза, А.Ф. Пузрякова, П. Скелдона, А.М. Смыслова, Л.А. Снежко, И.В. Суминова, А. В. Эпельфельда и других уче-

ных. Проанализированы подходы к мониторингу и диагностике процесса ПЭО по электрическим, оптическим и акустическим сигналам, рассмотренные в исследованиях М. Бойнет, А.Л. Ерохина, П.С. Гордиенко, Ю.В. Магуровой, А.И. Мамаева, А. Маттьюза, Э. Матыкиной, А.Г. Ракоча, Ж. Хенриона и др. Проанализированы методы построения систем управления электролитно-плазменными технологическими процессами, рассмотренные в работах В.Н. Борикова, С.А. Горбат-кова, В.А. Мамаевой, А.Е. Михеева, Е.В. Парфенова, В.Б. Людина, В.И. Черненко и др. Изучены теоретические основы построения современных систем управления сложными техническими объектами и технологическими процессами, в том числе, механической, электрохимической и электроэрозионной обработки с использованием диагностики неконтролируемых переменных состояния объекта, рассмотренные в работах В.В. Атрощенко, Н.Н. Бахтадзе, В.П. Житникова, А.Н. Зайцева, В.Ц. Зориктуева, Б.Г. Ильясова, В.А. Лотоцкого, К.Ф. Тагировой и др. Показана актуальность и востребованность новых систем автоматизации для процесса ПЭО применительно к импульсным биполярным режимам.

Объектом исследования является автоматизированный процесс плазменно-электролитического оксидирования в импульсном биполярном режиме.

Предметом исследования является разработка автоматизированной системы управления технологическим процессом плазменно-электролитического оксидирования с контролем толщины покрытия по электрическим характеристикам.

Цель исследования - повышение качества формирования покрытия в ходе технологического процесса плазменно-электролитического оксидирования в перспективном импульсном биполярном режиме за счет его автоматизации на основе контроля толщины покрытия по электрическим характеристикам.

Задачи исследования:

1) разработать феноменологическую модель технологического процесса
плазменно-электролитического оксидирования в импульсном биполярном режи
ме на основе экспериментального исследования свойств поверхностного слоя и
электрических характеристик процесса;

1. разработать математические модели роста покрытия и изменения электрических характеристик процесса ПЭО на основе динамических звеньев и схем замещения с медленно изменяющимися параметрами;

2. разработать способ управления процессом ПЭО в импульсном биполярном режиме на основе контроля толщины покрытия по электрическим характеристикам процесса;

3. разработать алгоритмическое и программное обеспечение АСУ ТП для реализации способа управления процессом ПЭО на основе контроля толщины покрытия по электрическим характеристикам и показать его эффективность.

Методология и методы исследования. Для достижения цели исследования в работе применялись методы планирования эксперимента, аппроксимации кривых, нейросетевого моделирования, системного анализа, теории автоматического управления, теоретических основ электротехники, корреляционного и статистического анализа, электронной микроскопии, измерения толщины и шероховатости поверхности. Обработка экспериментальных данных и исследование

нейросетевых моделей проводились на основе оригинальных программ для персональных ЭВМ, составленных с использованием академических версий программ MATLAB, LabVIEW, MicroCap.

Положения, выносимые на защиту:

1) феноменологическая модель технологического процесса плазменно-
электролитического оксидирования в импульсном биполярном режиме (соот
ветствуют п. 3 паспорта специальности);

2) модели процесса плазменно-электролитического оксидирования в виде
электрических схем замещения и динамических звеньев с медленно изменяющи
мися параметрами (соответствует п. 4 и п. 15 паспорта специальности);

3. способ управления процессом ПЭО в импульсном биполярном режиме на основе контроля толщины покрытия по электрическим характеристикам процесса (соответствует п. 6 паспорта специальности);

4. результаты автоматизации процесса ПЭО с использованием алгоритмического и программного обеспечения АСУ ТП, реализующего способ управления на основе контроля толщины покрытия по электрическим характеристикам (соответствует п. 10 и п. 18 паспорта специальности).

Научная новизна работы:

1. новизна феноменологической модели заключается в установлении взаимосвязей между физико-химическими явлениями и процессами, протекающими в ходе плазменно-электролитического оксидирования, отличающихся систематизацией применительно к импульсному биполярному режиму ПЭО, что позволяет обосновать и выявить электрические характеристики процесса, обеспечивающие реализацию контроля свойств поверхностного слоя в ходе обработки;

2. новизна математических моделей роста покрытия и изменения электрических характеристик процесса заключается в установлении структуры из динамических звеньев (апериодические звенья второго порядка) и топологии электрических схем замещения (RLC-цепь с диодами) с медленно изменяющимися параметрами, отличающихся тем, что в зависимости от амплитуды импульсов напряжения на электролизере и длительности обработки выявлены границы применимости различных структур моделей, а также предложен расчёт постоянных времени и коэффициентов передачи звеньев с помощью радиально-базисной нейронной сети, что позволяет увязать в единую модель свойства поверхности и электрические характеристики процесса ПЭО (программа для ЭВМ 2014611686);

3. новизна способа управления процессом ПЭО в биполярном импульсном режиме заключается в контроле толщины покрытия по электрическим характеристикам процесса, отличающимся тем, что в качестве таких параметров выбраны: постоянная времени спада напряжения положительного импульса, остаточное напряжение положительного импульса, сопротивление покрытия R₁, что позволяет оценивать толщину покрытия по электрическим характеристикам в ходе плазменно-электролитического оксидирования (патент № 2540239);

4. новизна алгоритмического и программного обеспечения АСУ ТП заключается в реализации способа управления процессом ПЭО на основе контроля толщины покрытия по электрическим характеристикам, отличающегося возмож-

ностью автоматически завершать процесс при достижении целевой толщины покрытия и информировать об этом оператора установки с помощью современных средств телекоммуникаций, что позволяет сузить интервал разброса получаемой толщины покрытия и повысить качество формирования ПЭО-покрытия.

Теоретическая значимость работы:

5. систематизированные в феноменологической модели ТП ПЭО взаимосвязи свойств поверхностного слоя и электрических характеристик с технологическими параметрами импульсного биполярного режима позволяют обосновывать модели технологического процесса ПЭО и разрабатывать для него системы контроля и управления;

6. математические модели ТП ПЭО в виде динамических звеньев и электрических схем замещения с медленно изменяющимися параметрами позволяют формализовать фундаментальные связи между свойствами поверхностного слоя и электрофизическими характеристиками процесса ПЭО;

7. способ управления процессом ПЭО в импульсном биполярном режиме на основе контроля толщины покрытия по электрическим характеристикам процесса позволяет в развитии разрабатывать системы оптимального динамического управления ТП ПЭО с учетом ненаблюдаемых до настоящего момента переменных, характеризующих состояние поверхностного слоя;

8. алгоритмическое и программное обеспечение АСУ ТП, реализующее способ управления процессом ПЭО на основе контроля толщины покрытия по электрическим характеристикам позволяет с минимальными изменениями разрабатывать АСУ ТП для родственных технологических процессов, например, твердого анодирования.

Практическая значимость работы:

9. автоматизация ТП ПЭО на основе контроля толщины покрытия по электрическим характеристикам, реализованная в зарегистрированном программном обеспечении, позволяет оценивать толщину покрытия без прерывания обработки с погрешностью ± 5 мкм и повышать качество оксидирования алюминиевых сплавов за счет снижения числа возвратов деталей, имеющих избыточную или недостаточную толщину покрытия с 25 % до 5%;

10. практическая значимость работы подтверждена актами о внедрении результатов работы на АО «Кумертауское авиационное производственное предприятие» и в филиале ФГБОУ ВО «УГАТУ» в г. Кумертау в совместной научно-исследовательской лаборатории плазменно-электролитического оксидирования деталей вертолетной техники.

Степень достоверности результатов. Обоснованность полученных в диссертационной работе закономерностей, характеристик и достоверность результатов исследований базируется на использовании общепринятых методов и методик планирования и проведения теоретических и экспериментальных исследований, применением современных методик физических измерений, сертифицированной измерительной аппаратуры и средств анализа экспериментальных данных, современных средств вычислительной техники, согласовании новых результатов с известными теоретическими положениями, корректной статистической

обработкой данных эксперимента. Достоверность разработанного способа контроля толщины покрытия подтверждена экспериментально.

Апробация результатов. Основные результаты работы обсуждались и получили одобрение на 10-ой международной конференции «Идентификация систем и задачи управления» SICPRO (Москва, 2015 г.); 42-ой международной конференции ICMCTF-2015 (Сан-Диего, США, 2015 г.); 4-ой международной конференции ICCSS-2014 (Ноттингем, Великобритания, 2014 г.); международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, 2007-2015 гг.); 3-ей и 4-ой международных конференциях «Электрохимические и электролитно-плазменные методы модификации металлических поверхностей» (Кострома,

2010, 2016 гг.); всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютов-
ские чтения» (Уфа, 2007–2015 гг.); всероссийской зимней школе-семинаре аспи
рантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (Уфа, 2008,

2011, 2012 гг.).

Работа выполнена в рамках следующих научных программ: договоров о
творческом сотрудничестве и о создании (передаче) научно-технической
продукции между АО «КумАПП» и ФГБОУ ВО «УГАТУ»; гранта Лондонского
Королевского общества на совместные научные исследования с Университетом
Шеффилда; гранта Республики Башкортостан для молодых ученых и
молодежных научных коллективов на 2014 год; премии имени

А.С. Палатникова в области вертолетостроения (Кумертау, 2008, 2011, 2014 гг.).

Личный вклад автора заключается в анализе научно-технической литературы, участии в экспериментальных исследованиях, написании программ для ЭВМ и анализе осциллограмм напряжения и тока, разработке феноменологической и математических моделей, разработке способа управления процессом ПЭО, обсуждении результатов моделирования и автоматизации, участии в подготовке публикаций и в работах по внедрению результатов в производство.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 4 статьи в журналах, входящих в «Перечень…» ВАК, 3 статьи в рецензируемых журналах, издаваемых за рубежом; 1 патент РФ на изобретение и 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографического списка из 152 наименований, приложений и содержит 215 страниц, в том числе 69 рисунков и 20 таблиц.

Благодарности. Соискатель выражает благодарность доктору Алексею Еро-хину (Университет Шеффилда, Великобритания) и профессору Евгению Владимировичу Парфенову за всестороннюю помощь в написании диссертации.