Введение к работе
Актуальность темы. В производстве электротехнических изделий небольшой мощности уровень использования стали не всегда оптимален. Много стали уходит в отходы, в самих конструкциях далеко не в полной мере используются ее свойства. Характеристики электротехнических сталей изменяются от партии к партии и даже в самой партии от листа к листу. Обработка стали вызывает ухудшение ее свойств, трудно поддающееся контролю, так как методики измерения магнитных свойств несовершенны. Все эти факторы вынуждают рассчитывать конструкции с учетом больших запасов.
Повысить эффективность использования стали в электротехнических изделиях позволяет адаптивный подход к управлению технологическим процессом их изготовления, заключающийся в контроле магнитных свойств заготовок изделий на различных этапах технологического процесса и корректировке его параметров в зависимости от результатов контроля. Его осуществление возможно с помощью автоматизированной подсистемы управления качеством изделий, реализующей метод активного контроля. Использование активного контроля позволяет повысить технологическую точность путем компенсации влияния случайных факторов на разных стадиях производства.
Для решения проблемы контроля магнитных свойств на различных этапах технологического процесса необходимы быстродействующие устройства контроля магнитных характеристик стали на целых листах, на заготовках, прошедших механическую обработку, на готовых изделиях. Зная магнитные свойства отдельных заготовок можно проследить за всеми изменениями, которые претерпевает сталь в процессе производства. Устройства контроля должны обеспечивать определение динамических магнитных характеристик в условиях, являющихся рабочими для производимых изделий. Существующие в настоящее время устройства не обеспечивают требуемой точности и производительности при определении наиболее информативных магнитных характеристик заготовок и готовых изделий, что сдерживает широкое внедрение систем управления качеством. В этой связи становится актуальным решение задачи разработки быстродействующих устройств контроля динамических магнитных характеристик заготовок и готовых изделий электротехнической промышленности, позволяющих реализовать эффективные подсистемы управления качеством этих изделий. Использование устройств, предназначенных для экспресс-контроля магнитных параметров как готовых электротехнических изделий, так и отдельных заготовок, в производственном процессе принесет несомненную пользу: уменьшит энергопотребление, вес и габариты электротехнических изделий.
Работа выполнена в соответствии с приоритетным направлением развития науки, технологий и техники РФ «Информационно-телекоммуникационные системы» (утверждено указом Президента РФ от 30.03.02 г. и переутверждено 21.05.06 г.); с научным направлением Южно-Российского государственного технического университета (НПИ) «Теория и принципы построения информационно-измерительных систем и систем управления» (утверждено решением ученого совета университета от 25.01.03 г. и переутверждено 1.03.06 г.); в рамках договора о сотрудничестве в области образования, науки и техники между ЮРГТУ (НПИ) и Техническим университетом Ильменау (Германия) от 14.12.2001 г.
Цель работы. Разработка методов и устройств экспресс-контроля динамических
магнитных параметров электротехнических сталей, повышающих эффективность их использования в электротехнических устройствах за счет организации подсистемы управления технологическим процессом производства. Для достижения поставленной цели в рамках диссертационной работы решались следующие основные задачи по разработке:
метода контроля заготовок из листовой электротехнической стали, позволяющего определить их динамические магнитные характеристики реальных режимов работы готовых изделий;
метода контроля готовых электротехнических изделий, позволяющего получить их динамические магнитные характеристики;
первичного преобразователя магнитной индукции для устройства испытания изделий из листовой электротехнической стали;
устройств экспресс-контроля магнитных характеристик электротехнических изделий и их заготовок для подсистемы управления процессом производства.
Методы исследований: методы теории автоматического управления, элементов теории планирования эксперимента и оптимизации, теории измерений, математического моделирования с использованием лицензированных пакетов прикладных программ Lab VIEW, Femm, MATLAB, MathCAD, Maple, Micro-Cap, Ansoft Maxwell.
Научная новизна работы, подтвержденная 2 патентами РФ и 4 свидетельствами о регистрации программы для ЭВМ, состоит в следующем:
Предложен метод измерения динамической петли гистерезиса и динамической кривой намагничивания заготовок из электротехнической стали с помощью намагничивающей системы накладного типа, интегрированной с первичными преобразователями магнитной индукции и напряженности магнитного поля, что, в отличие от существующих методов, повышает производительность и точность испытаний, расширяет спектр контролируемых параметров.
Выявлена взаимосвязь амплитудного значения напряжения, приложенного к электрической цепи, состоящей из конденсатора и намагничивающей катушки с сердечником из магнитомягкого материала, и введенной в состояние совпадения фаз амплитуд напряжения питающего генератора и тока в цепи, и амплитудного значения магнитной индукции в сердечнике.
Предложен метод контроля магнитных параметров готовых электротехнических изделий по вольтамперной характеристике намагничивающей цепи, введенной в состояние совпадения фаз амплитуд тока в цепи и напряжения питающего генератора, без нанесения измерительной обмотки, что увеличивает производительность контроля готовых электротехнических изделий.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждаются корректностью допущений, принимаемых при математическом моделировании и при разработке устройств; использованием метрологически аттестованных оборудования и образцов при проведении испытаний разработанных устройств; согласованием теоретических положений с результатами экспериментальных исследований (3-5 %); критическим обсуждением основных результатов работы с ведущими специалистами в области теории систем управления и магнитоизмерительной техники.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Разработан первичный преобразователь магнитной индукции и на его основе создано устройство для экспресс-контроля магнитных параметров электротехнической
стали и заготовок из неё с погрешностью измерения магнитных характеристик не более + 5 %. Разработано и изготовлено устройство для контроля магнитных параметров электротехнических изделий на основе нового метода, в соответствии с которым магнитные характеристики изделия определяются пропорционально вольт-амперной характеристике намагничивающей феррорезонансной цепи. Устройство обеспечивает точность измерения магнитных параметров изделий не хуже + 5 %, за время, не превышающее 25 с. Указанные устройства внедрены в: ЗАО «Ирис» г. Новочеркасск, ООО «Проектно-строительная компания Центр инженерных технологий» г. Ростов-на-Дону и учебный процесс ЮРГТУ (НПИ). Кроме того, разработан ряд программных продуктов, обеспечивающих: управление процессом измерения, расчет потерь на пе-ремагничивание по площади петли гистерезиса, определение погрешности измерения петли гистерезиса.
Основные положения, выносимые на защиту:
метод измерения магнитных характеристик заготовок из листовой электротехнической стали;
метод контроля магнитных параметров готовых электротехнических изделий;
принцип построения первичного измерительного преобразователя магнитной индукции листовой электротехнической стали;
структуры, алгоритмы, конструктивные и схемотехнические решения средств измерения и контроля магнитных свойств электротехнических изделий и их заготовок из листовой электротехнической стали для систем управления процессом их изготовления.
Апробация работы. Основные положения и научные результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях и семинарах. В том числе: V международная научно-практическая конференция «Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирования и схемотехника, теория и вопросы применения» (г. Новочеркасск, 2005 г.); Всеросс. смотр-конкурс науч.-техн. творчества студентов вузов «Эврика» (г. Новочеркасск, 2006, 2007, 2010 г.г.); VII Междунар. науч-практ. конф. «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (г. Новочеркасск, 2007 г.); Междунар. конф. по постоянным магнитам (г. Суздаль, 2009 г.); «Студенческая научная весна» (г. Новочеркасск, 2007-2010 г.г.); «Мехатроника. Современное состояние и тенденции развития» (г. Новочеркасск, 2009 г.); II Международная научно-практическая конференция «Научно-техническое творчество - путь к обществу, основанному на знаниях» (г. Москва, 2010 г.); на научных семинарах кафедры «Информационные и измерительные системы и технологии» ЮРГТУ (НПИ).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемом научном журнале, входящем в перечень ВАК, 1 патент РФ на изобретение, 1 патент РФ на полезную модель, 4 свидетельства о регистрации программного продукта.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 126 наименований и приложений. Общий объем работы 192 страницы, включая 22 страницы приложений, 88 иллюстраций и 37 таблиц.
