Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ процесса осаждения хромового покрытия и постановка задачи исследования 12
1.1 Общие сведения о гальванотехнике 12
1.2 Области применения, виды, структура и свойства хромовых покрытий 13
1.2.1 Области применения хромовых покрытий 13
1.2.2 Структура и механические свойства хромовых покрытий 16
1.2.3 Химическая стойкость и защитная способность хромовых покрытий... 19
1.3 Общие сведения и особенности процесса хромирования 20
1.3.1 Общие сведения 20
1.3.2 Катодный процесс 22
1.3.3 Анодный процесс 23
1.3.4 Электролиты для хромирования 24
1.4 Технология хромирования 29
1.5 Качество хромовых покрытий 34
1.5.1 Основные критерии качества покрытий 34
1.5.2 Методы повышения равномерности хромовых покрытий 36
1.6 Анализ процесса хромирования как объекта оптимального проектирования и управления 45
1.7 Обзор работ по автоматизации и управлению процессами нанесения гальванических покрытий 50
1.8 Постановка задачи исследования 57
Выводы по первой главе 60
ГЛАВА 2 Математическое моделирование гальванического процесса нанесения хромового покрытия 61
2.1 Математическая модель процесса хромирования 61
2.2 Использование сеточных методов для расчета распределения электромагнитного поля в ванне 67
2.3 Алгоритм расчета системы уравнений математической модели для случая с N-образной кривой катодной поляризации 80
2.4 Проверка адекватности алгоритма расчета системы уравнений математической модели 88
Выводы по второй главе 92
ГЛАВА 3 Поиск оптимального проектного решения и управляющего воздействия для процесса нанесения гальванического хромового покрытия 93
3.1 Задача оптимального проектирования и управления процессом нанесения гальванического хромового покрытия 93
3.2 Анализ целевой функции 96
3.3 Анализ методов решения поставленной задачи 103
3.4 Решение задачи оптимального проектирования и управления 111
Выводы по третьей главе 127
ГЛАВА 4 Интегрированная система автоматизированного проектирования и управления процессом нанесения хромового покрытия 94-96 129
4.1 Структура системы автоматизированного проектирования и управления процессом нанесения гальванического хромового покрытия 129
4.2 Техническое обеспечение и принципиальная схема функционирования системы автоматизированного проектирования и управления процессом нанесения хромового покрытия 134
4.3 Подсистема автоматизированного проектирования процесса нанесения хромового покрытия 140
Выводы по четвертой главе 150
Выводы 151
Список использованных источников 153
- Структура и механические свойства хромовых покрытий
- Использование сеточных методов для расчета распределения электромагнитного поля в ванне
- Задача оптимального проектирования и управления процессом нанесения гальванического хромового покрытия
- Структура системы автоматизированного проектирования и управления процессом нанесения гальванического хромового покрытия
Введение к работе
В последнее время во многих областях науки и техники возрастает роль металлических покрытий. Для защиты металлов от коррозии, декоративной отделки изделий, придания поверхности изделий специальных свойств (повышения электропроводности, износостойкости, антифрикционных характеристик, паяемости) наиболее распространены покрытия, получаемые химическим и электрохимическим методами. Наиболее предпочтительным методом нанесения металлических покрытий на изделие является электролитический. По сравнению с другими известными методами (горячий, контактный способы, пульверизация, термическая диффузия, плакирование, химическое восстановление) электролитическое осаждение имеет ряд преимуществ:
- возможность получения осадков различной структуры с легко регулируемой толщиной (от долей микрона до нескольких миллиметров) на металлических и неметаллических изделиях (твердые и мягкие, матовые и блестящие, с различной окраской);
-удобство регулирования режимными параметрами гальванического процесса;
- возможность оптимизировать форму распределения гальванического покрытия путем регулирования изменением электромагнитного поля в электролизере.
Бурное развитие техники приводит к расширению номенклатуры изделий. В различных отраслях промышленности увеличивается число деталей, требующих поверхностной обработки все более высокого качества. Все большее значение приобретают гальванические износостойкие покрытия. К таким покрытиям относят и хромовые.
Высокая химическая стойкость хромовых покрытий, значительная твердость и износостойкость, возможность нанесения толстых прочно сцепленных с основой покрытий определяют области высокоэффективного при менения электролитического хромирования. Они охватывают защитно-декоративную отделку металлоизделий, увеличение отражательной способности при производстве зеркал, отражателей, прожекторов; покрытие поверхности пар трения и деталей, подвергающихся механическому воздействию с целью придания им высокой износостойкости (подшипников, поршневых колец двигателей, штампов, мерительного инструмента) и восполнение размеров изношенных поверхностей (твердое хромирование) [1-3].
Применительно к гальваническому способу нанесения покрытия на сегодняшний день разработаны и продолжают совершенствоваться различные составы электролитов. Разработаны методы оптимизации наносимого покрытия в соответствии с такими критериями качества покрытия как равномерность, микротвердость, пористость, износостойкость, коррозионная стойкость и т.д. К наиболее распространенным из них можно отнести оптимальное расположение электродов в ванне, использование изолирующих экранов, защитных катодов, электролиз с использованием реверсивного, импульсного и асимметричного переменного тока и т.д.
Наиболее важным критерием является равномерность распределения толщины наносимого покрытия по поверхности детали, что наиболее актуально для дорогостоящих электролитов, в частности для электролита хромирования. Очевидно, что улучшение качества хромового покрытия и снижение расхода металла существенно повысит экономическую эффективность производственного процесса.
Как правило, для предотвращения брака в производственном процессе, необходимо заранее прогнозировать распределение гальванического покрытия по поверхности изделия. В случае использования хромового покрытия, особенно при покрытии изделий сложной формы, этот процесс осложнен по следующим причинам:
- низкая рассеивающая способность электролита (характеризует равномерность распределения тока и металла по поверхности покрываемых изделий);
- низкая кроющая способность электролита (характеризует степень осаждения металла на углубленных участках поверхности);
- немонотонность катодной поляризационной кривой хромового электролита.
Таким образом, весьма актуальной является задача моделирования, оптимального проектирования и управления гальваническим процессом нанесения хромового покрытия.
В настоящее время существует ряд решений в области разработки систем регулирования гальваническим процессом хромирования, которые позволяют получать качественные покрытия по критериям микротвердости, износостойкости, пористости, коррозионной стойкости [4-6]. Эти системы основаны на регулировании режимными параметрами процесса, такими как температура электролита, катодная плотность тока и т.д. Задачи моделирования распределения покрытия на катоде, оптимального проектирования и управления в соответствии с критерием равномерности процессом нанесения хромового покрытия остались нерешенными.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с научно-исследовательской программой Федерального агентства по образованию РФ «Разработка теории САПР гальванических роботизированных производств».
Целью данной работы является повышение качества хромового покрытия в соответствии с критерием равномерности. Научная проблема, соответствующая данной цели, заключается в разработке методов для моделирования распределения хромового покрытия по поверхности изделия, а также в оптимальном проектировании и управлении процессом нанесения гальванического хромирования в соответствии с выбранным критерием.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
- постановка задачи оптимального проектирования и управления процессом нанесения гальванического хромового покрытия;
- анализ математической модели процесса хромирования и разработка алгоритма ее решения с учетом немонотонности поляризационной кривой в краевом условии на катоде;
- анализ поставленной задачи оптимального проектирования и управления, выбор метода ее решения;
- разработка интегрированной системы автоматизированного проектирования и управления.
Научная новизна работы.
- поставлена и решена задача оптимального проектирования и управления процессом нанесения гальванического хромового покрытия, отличающаяся использованием формы фигурного анода в качестве объекта оптимального проектирования и напряжения на электродах в качестве управляющего воздействия, при этом в качестве критерия оптимальности фигурировала равномерность распределения покрытия по поверхности катода;
-разработан алгоритм решения системы уравнений математической модели процесса нанесения хромового покрытия, отличающийся тем, что учитывает немонотонность поляризационной кривой в краевом условии на катоде;
- предложен метод определения оптимального числа узлов фигурного анода;
- предложен алгоритм решения задачи оптимального проектирования и управления гальваническим процессом нанесения хромового покрытия.
Практическая ценность работы:
- разработана программа решения системы уравнений математической модели процесса нанесения гальванического хромового покрытия для немонотонной кривой катодной поляризации;
разработана интегрированная система автоматизированного проектирования и управления процессом нанесения гальванического хромового покрытия с использованием формы фигурного анода в качестве объекта проек тирования и напряжения на электродах в качестве управляющего воздействия.
Апробация работы. Основные положения и результаты данной работы докладывались на Международных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (г. Растов-на-Дону - 2003г., г. Кострома - 2004г.) и «Покрытия и обработка поверхности» (г. Москва - 2005г.).
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ в научных журналах и сборниках. Среди них такие журналы как «Теоретические основы химической технологии», «Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика», «Гальванотехника и обработка поверхности», «Вестник ТГТУ».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов по работе, списка используемой литературы и 13 приложений.
Во введении сформулированы цели, показана актуальность, новизна и практическая ценность результатов данной работы.
В первой главе проведен анализ гальванического процесса нанесения хромового покрытия. При этом рассмотрены основные виды хромовых покрытий, их свойства и области применения; отмечены основные особенности процесса хромирования, существенно отличающие его от электроосаждения других металлов; проведен обзор электролитов хромирования; приведено краткое описание технологии хромирования; проанализированы основные критерии качества хромовых покрытий; рассмотрены основные методы повышения равномерности хромового покрытия и предложен метод, основанный на варьировании формой фигурного анода и напряжением на электродах; приведен анализ процесса нанесения хромового покрытия как объекта оптимального проектирования и управления; проведен обзор работ по автоматизации и управлению гальваническими процессами, связанных в той или иной степени с данной работой, отмечены их основные достоинства и недостатки. В заключении осуществлена постановка задачи исследования.
Во второй главе рассмотрена математическая модель гальванического процесса хромирования, исследовано применение сеточных методов для расчета распределения электрического поля в ванне, проанализированы существующие прямые и итерационные методы решения разностных задач, разработан метод расчета распределения электрического поля в ванне для случая с N-образной функцией в краевом условии на катоде, а также осуществлена проверка адекватности разработанного метода в соответствии с данными эксперимента.
Третья глава посвящена решению задачи оптимального проектирования и управления процессом нанесения гальванического хромового покрытия. Форму фигурного анода предложено рассматривать как множество узловых точек, определяющих поверхность анода в пространстве либо образующую анода в случае симметрии электродов относительно оси вращения. Проанализирована полученная целевая функция и выявлен критерий выбора алгоритма поиска оптимального решения. Проанализированы существующие методы решения задач нелинейного программирования на соответствие выбранному критерию. Предложен метод поиска оптимальной формы фигурного анода и напряжения на электродах, использующий идеи метода оврагов. Проверена адекватность выбранного алгоритма поиска исследуемой задаче. Предложена методика определения числа варьируемых узловых точек фигурного анода.
Четвертая глава содержит описание интегрированной системы оптимального проектирования и управления процессом нанесения хромового покрытия. Предложена двухуровневая структура интегрированной системы оптимального проектирования и управления процессом нанесения хромового покрытия. При этом на верхнем уровне решается задача оптимального проектирования, задача управления сводится к задаче стабилизации напряжения на электродах и решается аппаратно на нижнем уровне. Для предложенной интегрированной системы оптимального проектирования и управления рекомендован современный состав технических средств.
На защиту выносятся следующие положения:
- метод решения системы уравнений математической модели для немонотонной кривой в краевом условии на катоде;
- решение задачи оптимального проектирования и управления;
- метод определения числа варьируемых узлов фигурного анода.
Структура и механические свойства хромовых покрытий
Электролитический хром отличается по своим свойствам от хрома, полученного металлургическим путем. Его особенностью является зависимость свойств от режима осаждения.
Структура электролитического хрома характеризуется наличием двух видов кристаллической решетки: кубической объемно центрированной и плотноупакованной гексагональной. Удельная доля каждого вида в покрытии зависит от режима хромирования. При высоких плотностях тока и повышенной температуре электролита образуется преимущественная кубическая структура; при низких плотностях тока и комнатной температуре электролита образуется, в основном, гексагональная структура [2].
Последняя устойчива при температурах ниже 25 С. Выше она постепенно переходит в устойчивую кубическую форму, уменьшаясь в объеме приблизительно на 16 %. Усадка хрома, сопровождающаяся изменением линейных размеров, зависит от режима хромирования. Такая усадка свидетельствует о наличии в хромовом покрытии значительных растягивающих напряжений. Среднее значение внутренних напряжений, отнесенное к толщине слоя, уменьшается по мере увеличения толщины покрытия. Хромовые покрытия с кубической структурой имеют слоистое строение, и при достаточно больших растягивающих напряжениях происходит растрескивание каждого слоя. Растрескивание хромовых покрытий зависит не только от растягивающих напряжений. Условия электролиза также влияют на растрескивание хромового покрытия. Хром с гексагональной структурой не имеет сетки трещин, в нем отсутствует слоистость. Он характерен для тетрахроматных электролитов, работающих при комнатной температуре.
В зависимости от режима хромирования образуются четыре основных вида хромовых покрытий: блестящий, матовый, молочный и серый хром. Блестящие осадки хрома получаются при средних температурах электролита 45 - 65 С в широком диапазоне плотностей тока, а также при более высоких температурах электролита из малоконцентрированных растворов при высоких плотностях тока. Блестящий хром имеет наиболее высокую твердость, хорошее сцепление с основным металлом и относительно небольшую хрупкость. Осаждение на катоде матовых осадков происходит при низких температурах электролиза (35 С и ниже) и любой плотности тока. Покрытия, полученные при этих режимах электролиза в сульфатных ваннах, отличаются высокой хрупкостью и слабым сцеплением. Осадки молочного хрома получают при высоких температурах электролита (выше 65 С) и при плотностях тока 25...30 А/дм . Покрытия молочным хромом по сравнению с другими имеют невысокую твердость, значительную пластичность, меньшую пористость и благодаря этому более высокую защитную способность. Серый осадок хрома является специфическим для тетрахроматных ванн, работающих при комнатной температуре, и образуется при всех плотностях тока, реко мендуемых для этого электролита. Он имеет однородную гладкую поверхность серого цвета [2].
К механическим свойствам хромовых покрытий относятся в первую очередь твердость, прочность и пластичность. Твердость хрома, в основном, зависит от температуры электролита и плотности тока [10, 11]. Различные виды хромовых покрытий имеют следующие значения твердости, МПа: блестящий и серебристо матовый -7500... 11000; молочный - 5400...6000; серый - 3500...4000; отожженный хром - 3500...4000. Наиболее твердые хромовые покрытия значительно превышают по твердости закаленные (5000 МПа) и азотированные (7500 МПа) стали. Нагрев хромового покрытия уменьшает его твердость, причем до 250...300С это снижение незначительно [2].
Прочность покрытий характеризуется такими их показателями, как модуль упругости, предел прочности, сцепление с основой. Следует отметить, что хотя с увеличением толщины слоя прочность хромовых покрытий уменьшается, однако в практике хромирования это обычно не учитывается. При современных нормах нагрузки на трущиеся поверхности детали, покрытые для восстановления размеров слоями хрома большой толщины, работают надежно, если были соблюдены режимы подготовки и хромирования и применено шлифование покрытия. Необходимо иметь в виду, что сопротивление хрома сосредоточенным большим нагрузкам в значительной мере определяется прочностью основного металла. На мягком основании, которое неспособно выдержать местные высокие давления, хромовое покрытие продавливается вместе с основным металлом. При достаточно прочном основном металле хромовое покрытие способно выдержать значительные усилия, нормальные к его поверхности [2].
Пластичность электролитического хрома существенно зависит от режима хромирования. Хрупкие осадки хрома (блестящие, матовые и серые) характерны для низких температур электролита и высоких плотностей тока. Более пластичные покрытия получаются при высоких температурах и низких плотностях тока (молочные осадки). Блестящие, матовые и молочные осадки хрома выдерживают без разрушения упругие деформации основного металла, стали. Но уже при небольшой пластической деформации блестящие и матовые осадки растрескиваются. Молочные осадки в этих условиях не разрушаются.
Большая твердость и особая гладкость хромовых покрытий обусловливают их хорошие антифрикционные свойства, низкий коэффициент трения и высокую износостойкость. Коэффициент трения хрома по чугуну, бронзе и баббиту в два-три раза ниже, чем у закаленной стали [2]. Низкий коэффициент трения и высокая твердость хрома позволяют с успехом применять его для исключения задиров при трении вязких, склонных к схватыванию материалов (нержавеющих сталей, титановых сплавов и др.). Этими же свойствами определяется высокая износостойкость хромового покрытия, которая зависит от режима хромирования и условий работы трущихся пар (прирабаты-ваемости, обеспеченности смазкой, давления и относительной скорости). При правильно выбранных условиях хромирования и эксплуатации хромированных деталей износостойкость стальных деталей после хромирования возрастает в три-пять раз.
Использование сеточных методов для расчета распределения электромагнитного поля в ванне
Наибольшую сложность в описанной выше математической модели представляет решение уравнения в частных производных второго порядка (2.7) с нелинейным граничным условием (2.11).
Получение аналитического решения невозможно из-за наличия в краевой задаче нелинейных граничных условий, сложной формой области решения, которая, в свою очередь, варьируется в процессе поиска оптимальной формы фигурного анода.
Следовательно, для решения данной задачи необходимо использовать численные методы. На первых этапах практического решения задач для уравнений с частными производными применялись в основном вариационные и другие методы, где приближенное решение получается в виде некоторой аналитической формулы. При решении некоторых задач такие методы применяются и в настоящее время [54, 55].
В последующий период наиболее актуальными для решения стали задачи ядерной проблематики и задачи динамики газа и жидкости, где подобные методы практически неприменимы. На решение этих задач были направлены усилия крупнейших математиков, что имело, в частности своим следствием создание и широкое продвижение сеточных методов решения уравнений с частными производными. В настоящее время эти методы наряду с вариационно- и проекционно-разностными (метод конечных элементов) являются наиболее распространенными. При решении задач сеточными методами мы получаем совокупность приближенных значений решения в некоторой конечной системе точек. В случае необходимости можно построить формулу (например, интерполяционную) для приближенного представления решения во всей области.
Таким образом, для решения поставленной задачи как универсальный и чрезвычайно эффективный метод решения задач математической физики был выбран метод конечных разностей или метод сеток [54, 55]. Он позволяет сводить приближенное решение уравнений в частных производных к решению систем алгебраических уравнений.
Для теории разностных схем типично предположение о том, что решение исходной задачи для дифференциального уравнения существует и имеет нужное по ходу изложения число производных, обеспечивающее максимальный порядок аппроксимации.
Метод конечных разностей включает в себя два этапа [56, 57]: - аппроксимация дифференциальных уравнений разностными; - решение полученной системы линейных уравнений. Рассмотрим первый этап. Чтобы выполнить аппроксимацию дифференциальных уравнений разностными необходимо в свою очередь сделать два шага. [54, 55] - Необходимо заменить область непрерывного изменения аргумента областью дискретного ее изменения. - Необходимо заменить дифференциальный оператор некоторым разностным оператором, а также сформулировать разностный аналог для краевых условий и для начальных данных. После осуществления такой процедуры мы приходим к алгебраической системе уравнений. Таким образом, задача о численном решении исходного дифференциального уравнения сводится к вопросу о нахождении решения полученной алгебраической системы. Остановимся на этих вопросах несколько подробнее. При численном решении той или иной математической задачи мы, очевидно, не можем воспроизвести разностное решение для всех значений аргумента, изменяющегося внутри некоторой области евклидова пространства. Естественно поэтому выбрать в этой области некоторое конечное множество точек и приближенное решение искать только в этих точках. Такое множество точек называется сеткой. Отдельные точки называются узлами сетки. Функция, определенная в узлах сетки, называется сеточной функцией. Расстояние между двумя соседними параллельными прямыми называется шагом сетки по соответствующей координате. Отметим, что в общем случае шаг сетки по той или иной координате не обязательно должен быть постоянным. При этом сетка с постоянными шагами называется равномерной или регулярной, а с непостоянными, соответственно, неравномерной или нерегулярной. Таким образом, мы заменили область непрерывного изменения аргумента сеткой, т.е. областью дискретного аргумента; иными словами, мы осуществили аппроксимацию пространства решений дифференциального уравнения пространством сеточных функций. Разобьем пространство ванны сеткой, равномерной по координатам х, у и z, при этом будем считать, что плоскости электродов расположены перпендикулярно оси у, а катод расположен левее анода относительно направления оси у. Дискреты по каждой координате будут равны:
Задача оптимального проектирования и управления процессом нанесения гальванического хромового покрытия
В настоящее время существует большое количество методов поиска оптимального решения, ориентированных на тот или иной класс задач. Таким образом, чтобы определить, какие из методов наиболее пригодны для нашего случая, необходимо исследовать поведение целевой функции на заданной области определения. Анализ целевой функции будем проводить отдельно по форме фигурного анода и напряжению на электродах. Рассмотрим зависимость целевой функции от формы фигурного анода на примере электролизера (в соответствии с рисунком 2.6), для которого были получены экспериментальные данные. Как правило, исследование функций осуществляется путем построения линий равного уровня и последующего анализа полученной картины. Так как в данной задаче мы имеем функцию многих переменных, то ее геометрическая интерпретация затруднена. Таким образом, будем проводить исследование для различных пар входных координат, зафиксировав все остальные, с последующим анализом полученных картин линий уровня. Для построения линий уровня необходимо предварительно решить поставленную задачу методом полного перебора. Разобьем образующую анода на отрезки пятью узловыми точками, т.е. Na = 5, что соответствует числу аргументов целевой функции. Очевидно, что перебор каждого узла сетки с шагом 0,2 см, используемым нами при проверке адекватности математической модели, в данной ситуации неприемлем в связи с огромным объемом вычислений. Постановка задачи поиска оптимального решения методом полного перебора будет осуществляться следующим образом. Необходимо найти форму фигурного анода то есть найти координаты rai, доставляющую минимум функции равномерности покрытия, определяемой формулой (3.1), при уравнениях связи (2.1 - 2.12) для цилиндрической системы координат и ограничениях (3.2 - 3.5). Будем использовать параметры электролитической системы аналогично используемым пункту 2.4 за исключением шага сетки h. Так как точность решения в данном случае не имеет решающего значения, подберем шаг сетки А, шаг метода полного перебора h„ таким образом, чтобы максимально уменьшить время решения задачи методом полного перебора. Пусть шаг сетки h = 0,5 см, шаг метода полного перебора hn = 15 см. Минимальное межэлектродное расстояние Aymin возьмем равным 10 шагов сетки. Время решения поставленной задачи методом полного перебора на персональном компьютере на базе процессора AMD Athlon ХР 1800 составило около 24-х часов. Промежуточные значения целевой функции, полученные в процессе решения задачи, представляют собой табличную форму целевой функции, которая приведена в Приложении А. На основании полученной табличной формы построим линии равного уровня целевой функции.
При построении линий равного уровня будем использовать алгоритм сканирования. При этом интерполяцию выбранных точек линий равного уровня удобно выполнять при помощи кубических параметрических сплайнов Безье, если количество интерполируемых точек 4 и более. Интерполяция 3-х точек будет осуществляться с использованием квадратичного параметрического сплайна Безье. Две точки, очевидно, интерполируются прямой.
Построим линии уровня целевой функции (3.1) для различных пар входных координат, зафиксировав все остальные на расстоянии 5 шагов сет ки от левой границы области определения (3.2) (вместо координаты у в условии (3.2) будет фигурировать радиус цилиндра г) целевой функции по форме фигурного анода.
Структура системы автоматизированного проектирования и управления процессом нанесения гальванического хромового покрытия
В настоящее время бурное развитие техники приводит к расширению в различных отраслях промышленности номенклатуры изделий, требующих поверхностной обработки все более высокого качества. Как следствие, усложняется процесс проектирования технологических процессов.
Удовлетворить противоречивые требования повышения сложности объектов, сокращения сроков и повышения качества проектирования с помощью простого увеличения численности проектировщиков нельзя, так как возможность параллельного проведения проектных работ ограничена и численность инженерно-технических работников в проектных организациях не может быть сколько-нибудь заметно увеличена. Выходом из этого положения является широкое применение вычислительной техники для решения проектных задач (автоматизация проектирования).
Так как в данном исследовании оптимальное проектирование и управление рассматриваются совместно, речь должна идти о разработке интегрированной системы автоматизированного проектирования и управления процессом нанесения гальванического хромового покрытия. Такую систему в некоторой степени можно отнести к технологии «СІМ» - Computer Integration Manufacture (интегрированное компьютеризированное производство) [32], прообразом которой являлись системы «CAD/CAM/CAE» - Computer Aided Design (системы автоматизированного проектирования)/ Computer Aided Manufacture (системы автоматизированного производства)/ Computer Aided Engineering (системы автоматизированной разработки и конструирования) [97-101]).
Для реализации данной системы предлагается следующая двухуровневая структура. На верхнем уровне представлены две ЭВМ, одна из которых предназначена для ввода исходных данных, хранения и вывода результатов, другая - для поиска оптимального проектного решения и управляющего воздействия при различных значениях входных координат. В связи с большим количеством вычислений машина, осуществляющая расчетные операции, должна иметь высокую производительность и большой объем оперативной памяти для хранения информации о каждой точке электрического поля в электролите. Нижний уровень включает в себя датчики температуры, напряжения на электродах, регулятор температуры, выпрямительный агрегат и вычислительное устройство, осуществляющее функции задания параметров и обмена данными с ЭВМ верхнего уровня. Требования к вычислительным устройствам нижнего уровня невелики, и для выполнения перечисленных функций можно использовать практически любой промышленный микроконтроллер. При использовании описанного варианта построения системы автоматизированного проектирования и управления, очевидно, что ЭВМ верхнего уровня должны иметь средства связи между отдельными вычислительными машинами, причем в системе должны присутствовать также и межуровневые связи для обмена данными между вычислительными устройствами разных уровней. Рассмотрим структуру двухуровневой системы автоматизированного проектирования и управления гальванической линией хромирования подробнее. Линия хромирования включает в себя п гальванических ванн (ТВ), каждой из которых управляет вычислительное устройство (ВУ) нижнего уровня, и две ЭВМ верхнего уровня. Вычислительные устройства нижнего уровня выполняют функции задания температуры электролита, напряжения на электродах и обмена данными с ЭВМ верхнего уровня и контроля времени протекания процесса. В связи со спецификой процесса хромирования, вычислительные устройства нижнего уровня должны обеспечивать изменение во времени тока, протекающего через электролит по определенной заранее заданной программе. Регулирование тока в ванне будем осуществлять при помощи выпрямительного агрегата для гальванических ванн по силе тока в соответствии с программой, представленной на рисунке 4.1. Как видно из графика изменения силы на рисунке 4.1, на периоде Тх за исключением так называемого «толчка тока», который имеет место на первых двух минутах процесса хромирования, поддерживается оптимальное значение напряжения на аноде Ua, полученное на этапе поиска оптимального решения. Таким образом, задача управления по напряжению на электродах заключается в стабилизации данного параметра на протяжении процесса нанесения хромового покрытия для одной детали, т.е. на периоде 7J. Данная задача решается аппаратно при помощи регулятора, встроенного в выпрямительный агрегат. В рассматриваемой структуре системы автоматизированного проектирования и управления ЭВМ верхнего выполняют функции ввода исходных данных, поиска оптимального проектного решения и визуализации результатов в удобной для пользователя форме, а также осуществляют контроль над работой всей системы в целом. При этом одной из сложных задач является ввод геометрических характеристик обрабатываемой детали-катода. В рассматриваемой системе эта задача решается сканированием машиностроительного чертежа обрабатываемого изделия в одной, двух или трех проекциях (в зависимости от сложности детали) с последующим восстановлением трехмерной формы по имеющимся проекциям [95]. Данный процесс осуществляется в несколько этапов. 1. Отделение геометрических примитивов (отрезков прямых и кривых линий), имеющих отношение к проекции детали, от прочих элементов чертежа (линий выноски, размерных линий, штриховки, различных текстовых пояснений и т.д.). 2. Разделение полученного массива геометрических примитивов по принадлежности к проекциям - фронтальной, горизонтальной и профильной. В случае, когда имеется лишь одна проекция детали (деталь - тело вращения), происходит выделение образующего контура, который при повороте вокруг оси симметрии детали даст ее объемное представление. В случае двух проекций, после получения модели детали вращением образующего контура из первой проекции, производится корректировка модели по характерным линиям второй проекции. Если проекции конечной модели не совпадают с исходными данными чертежа, то она корректируется до получения данного совпадения.
