Введение к работе
Актуальность темы. В условиях научно-технического прогресса крупные транспортно-складские системы претерпевают существенную эволюцию и превращаются в современные предприятия с высокоорганизованным технологическим процессом – транспортно-складские комплексы (ТСК). Четкий ритм функционирования ТСК обеспечивается применением сложных автоматизированных поточно-транспортных систем (ПТС) и подъемно-транспортных механизмов (ПТМ). Устройства автоматического адресования (УАА) входят в состав системы управления перемещением штучных грузов на внутризаводском поточном и циклическом транспорте и во многом предопределяют эффективность ее эксплуатации. Следовательно, повышение работоспособности УАА является крупной научной проблемой, решение которой имеет важное хозяйственное значение.
Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации УАА показывает целесообразность использования функционально более надежных децентрализованных электромагнитных УАА. Известные конструкции децентрализованных электромагнитных УАА обладают рядом существенных недостатков, главным из которых является требование минимального зазора взаимодействия блоков адресования. Это вынужденное требование является следствием использования в УАА типовых (стандартных) блоков хранения, записи и считывания информации, параметры которых определены без учета специфики работы транспортных механизмов. Взаимодействие подвижных и неподвижных блоков известных УАА обеспечивается специальными механическими ловителями, использование которых влечет появление ударных нагрузок, снижающих срок службы УАА и ограничивающих скоростные характеристики ПТМ. Создание децентрализованных УАА с бесконтактно взаимодействующими блоками является актуальной задачей, решение которой позволит повысить надежность их функционирования, снизить требования к точности изготовления и монтажа узлов конвейера, а также практически устранить ограничения на величину скорости и направление перемещения грузонесущего устройства.
Техническими средствами систем управления ТСК являются весоизмерительные устройства, которые не только осуществляют учет перемещаемых грузов, но организуют и оптимизируют процесс перемещения, в частности, ПТМ периодического действия. Вместе с тем при использовании автоматических весов, работающих в условиях динамических нагрузок, необходимо решить задачу минимизации времени измерения при заданной величине чувствительности.
Таким образом, разработка научных основ создания децентрализованных бесконтактных УАА, а также весоизмерительных устройств малой инерционности и высокой чувствительности, с учетом общих принципов построения систем управления производственными процессами и специфики работы ТСК, является актуальной проблемой.
Диссертационная работа выполнялась по планам госбюджетных и хоздоговорных НИР Ульяновского научно-исследовательского и проектно-технологического института машиностроения, а также Ульяновского государственного технического университета.
Цель работы: разработка методологии формализованного схемотехнического синтеза блоков децентрализованных электромагнитных УАА, обеспечивающей условия бесконтактного взаимодействия, функциональной инвариантности и минимизации аппаратных затрат для повышения работоспособности систем управления автоматизированными ТСК.
Для достижения поставленной в диссертационной работе цели необходимо решить следующие научные задачи:
1. Разработать научное обеспечение синтеза бесконтактно взаимодействующих блоков децентрализованных электромагнитных УАА, включающего:
а) систему понятий, базовая часть из которых открыта для операциональных измерений и объективной идентификации;
б) математические модели, результаты численных расчетов и экспериментальных исследований пространственного множества, в котором осуществляются процедуры обработки данных, определяемого траекторией движения грузонесущего механизма;
в) математические модели, результаты численных расчетов и экспериментальных исследований носителей информации, блоков записи и считывания, упругих чувствительных элементов весоизмерительных устройств, осуществляющих аппаратную реализацию бесконтактного взаимодействия блоков УАА на определенном множестве.
2. Разработать методы логико-алгебраического моделирования и схемотехнического синтеза устройств сравнения и формирования команд управления ПТМ циклического действия, а также устройств управления блоками записи и считывания информации при параллельной или последовательной организации работы последних.
3. Разработать технологию проектирования бесконтактно взаимодействующих децентрализованных электромагнитных УАА и малоинерционных, с равной чувствительностью во всем диапазоне измерений весоизмерительных устройств различных конструкций и типоразмеров и освоить их серийное производство.
4. Разработать методики расчета и необходимое экспериментальное оборудование синтеза и производства УАА, провести опытно-промышленные испытания и внедрить УАА и весоизмерительные устройства в системы управления внутризаводским поточным и циклическим транспортом.
Методы исследований. Теоретические исследования, нацеленные на разработку научного обеспечения, основаны на использовании фундаментальных положений теории автоматизации управления производством – в частности, теории точности машин и приборов, а также теории расчета магнитных систем; современных численных методов решения задач с использованием регрессионного моделирования, теории вероятностей и математической статистики, интегрального и дифференциального исчисления. Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторных и производственных условиях и включали исследование статических и динамических характеристик грузонесущего устройства, параметров адресоносителя, адресователя, считывателя информации и весоизмерительного устройства, при этом использовались аттестованные измерительные средства и применялись методы регрессионного и дисперсионного анализа.
Научная новизна. В результате комплексных теоретических и экспериментальных исследований и внедрения их результатов в промышленность решена актуальная научно-техническая проблема, заключающаяся в разработке научного обеспечения проектирования, изготовления и применения бесконтактно взаимодействующих блоков децентрализованных УАА с целью повышения работоспособности систем управления внутризаводским поточным и циклическим транспортом.
Научной новизной обладают следующие положения:
1. Математические модели пространственного множества, в котором осуществляются процедуры обработки данных, определяемые траекторией движения грузонесущего механизма и позволяющие обосновать методологию выбора параметров бесконтактно взаимодействующих блоков децентрализованных электромагнитных УАА.
2. Математические модели подвижных информационных носителей на основе постоянных магнитов, обработка которых осуществляется на определенном множестве, учитывающие параметры магнитов и их взаимное расположение, а также внутренние и внешние размагничивающие факторы.
3. Математические модели взаимосвязей информационных элементов с процедурами обработки данных соответственно при записи и считывании, а также аппаратная реализация взаимодействия на определенном множестве, использующая принципы перемагничивания или вращения постоянных магнитов при записи и нелинейный контур в цепи возбуждения феррозонда при считывании.
4. Предложен и развит новый подход к решению задач управления ПТМ циклического действия с использованием малоинерционных весоизмерительных устройств на основе кольцевого упругого элемента и вторичного фотодатчика, а также устройств с последовательной и параллельной работой упругих колец, обеспечивающих равную чувствительность в широком диапазоне измерений.
5. Методы и программное обеспечение синтеза систем управления блоками записи и считывания информации УАА, синтеза устройств сравнения и формирования команд управления движением ПТМ циклического действия, а также синтеза систем оптимального управления ПТМ циклического действия по критерию максимальной производительности.
6. Способы функционирования блоков децентрализованных электромагнитных УАА, реализующих процессы записи и считывания информации, а также весоизмерения, их конструкции и схемотехнические решения, защищенные патентами и авторскими свидетельствами на изобретения.
Практическая ценность и реализация работы заключаются в том, что созданы:
1. Методики определения параметров блоков УАА, а также конструкции бесконтактных децентрализованных УАА штучных грузов, работающие в реальном диапазоне отклонений адресоносителя (А.с. № 695927; Пат. США
№ 3,982,275; Пат. Великобритании № 1512725; Пат. Франции № 7521406; Пат. Италии № 41623А/75; Пат. Японии № 51-151966).
2. Методики определения параметров весоизмерительных устройств, а также конструкции, работающие в условиях линейно нарастающих до максимума нагрузок (А.с. № 840003; Пат. РФ № 2090485; Пат. РФ № 2108958; Пат. РФ № 2108959; Пат. РФ. № 2171773).
3. Методики определения параметров схем управления блоками адресования и весоизмерения (А.с. № 430410; А.с. № 674219; А.с. № 747790; А.с. № 759437; А.С. № 1222607).
Внедрение и опытно-промышленные испытания УАА и весоизмерительных устройств в условиях действующего производства машиностроительных предприятий «АвтоВАЗ» (г. Тольятти), «Моторный завод» (г. Мелитополь), «Автонормаль» (г. Белебей), ОАО «Ульяновский автомобильный завод» (г. Ульяновск), а также предприятий других отраслей промышленности «Мос-электронкомплекс» (г. Фрязино), «Ликеро-водочный завод» (г. Ульяновск), «Хлебокомбинат», ОАО «Мельница» (г. Барыш), ЗАО «Инзенская фабрика нетканых материалов» (г. Инза) подтвердили результаты теоретико-экспериментальных исследований и повышение функциональной надежности указанных устройств на 40 80 % по сравнению с базовыми вариантами.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Математические модели и методики, алгоритмы, программы и результаты численного расчета и экспериментальных исследований пространственного множества, на котором осуществляются процедуры обработки данных, определяемого траекторией движения грузонесущего механизма.
2. Методы, методики и результаты численных решений и экспериментальных исследований носителей информации, блоков записи и считывания, упругих чувствительных элементов весоизмерительных устройств, осуществляющих аппаратную реализацию бесконтактного взаимодействия на определенном множестве.
3. Результаты экспериментальных исследований работоспособности оригинальных блоков УАА в процессе записи и считывания информации, а также в процессе весоизмерений.
4. Конструкции блоков децентрализованных электромагнитных УАА с магнитными носителями информации в виде пластин, цилиндров или эллипсоидов, использующими принципы перемагничивания или вращения при записи и нелинейную схему возбуждения феррозонда, с компенсацией магнитного поля Земли, при считывании.
5. Методики расчета и результаты опытно-промышленных испытаний и внедрения разработанных конструкций и схемотехнических решений для систем управления внутризаводским поточным и циклическим транспортом.
6. Рекомендации по проектированию, изготовлению и применению децентрализованных электромагнитных УАА и весоизмерительных устройств на основе упругих чувствительных элементов.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях «Технология – 96» (Новгород, 1996); «Механика машиностроения» (Набережные Челны, 1997); «Новые методы, средства и технологии в науке, промышленности и экономике» (Ульяновск, 1997); «Математическое моделирование физических, экономических, социальных систем и процессов» (Ульяновск, 1999); «Инженерно-техническое обеспечение АПК и машинно-технологические станции в условиях реформирования» (Орел, 2000); «Проблемы машиностроения и технологии металлов на рубеже веков» (Пенза, 2003); «Динамика технологических систем» (Саратов, 2004); всесоюзных и республиканских научно-технических конференциях и семинарах «Поточно-транспортные системы с применением конвейерного транспорта и АСУ» (Ленинград, 1977); «Комплексная механизация и автоматизация погрузочно-разгрузочных, подъемно- транспортных и складских работ в машиностроении» (Москва, 1980); «Проблемы создания и эксплуатации гибких автоматизированных систем в машиностроении» (Вильнюс, 1984); «Автоматизация и механизация трудоемких процессов на предприятиях республики» (Уфа, 1984); «Проблемы внедрения достижений научно-технического прогресса в области автоматизации и механизации производственных процессов» (Уфа, 1985); «Современное состояние и перспективы развития устройств ввода-вывода информации в САПР, АСУ технических процессов и ГАП» (Москва, 1985); «Проблемы автоматизации перенастраиваемых производств в машиностроении» (Волгоград, 1988); «Автоматизация машиностроения на базе гибких технологических систем и робототехнических комплексов» (Баку, 1989); «Наука производству» (Набережные Челны, 1990); научно-технических конференциях Ульяновского государственного технического университета (УлГТУ,
1983 – 2008).
В целом работа обсуждена на научно-техническом семинаре кафедр «Технология машиностроения» и «Металлорежущие станки и инструменты» УлГТУ (2008); научно-техническом совете факультета информационных систем и технологий УлГТУ (2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 53 печатных работы; в том числе 1 монография, 28 авторских свидетельств и патентов на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, библиографического списка из 178 наименований, изложенных на 333 страницах машинописного текста, приложения, включает 176 рисунков, 39 таблиц.
