На правах рукописи

Шайхутдинов Данил Вадимович

МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА ЭКСПРЕСС-КОНТРОЛЯ

ДИНАМИЧЕСКИХ МАГНИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ

ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

Специальность: 05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск 2010 2

Работа выполнена на кафедре «Информационные и измерительные системы и технологии» ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор Горбатенко Н. И.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор Панич А. Е.

- кандидат технических наук, доцент Соломенцев К.Ю.

Всероссийский научно-исследовательский и Ведущее предприятие:

проектно-конструкторский институт электровозостроения (ОАО "ВЭлНИИ"), г. Новочеркасск

Защита состоится «24» декабря 2010 г. в 10 ч. на заседании диссертационного Совета Д212.304.02 при ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» в аудитории № 107 главного корпуса по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской обл., ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)». С текстом автореферата можно ознакомиться на сайте ЮРГТУ (НПИ) www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан «_» ноября 2010 г.

Ученый секретарь совета, профессор, к.т.н. Иванченко А.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 LabVIEW, 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:

1. 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.

2. 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.

3. 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. Ростовна-Дону и учебный процесс ЮРГТУ (НПИ). Кроме того, разработан ряд программных продуктов, обеспечивающих: управление процессом измерения, расчет потерь на перемагничивание 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.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ЭТИ – электротехнические изделия; ЭТС – электротехническая сталь; АСУ ТП – автоматизированная система управления технологическим процессом; ДПГ – динамическая петля гистерезиса; ДКН – динамическая кривая намагничивания; ПХ – преобразователь Холла; МКЭ – метод конечных элементов; МЭМ – метод электрического моделирования; ДММ – дифференциальный магнитный мост; ДПМИ – дифференциальный первичный преобразователь магнитной индукции; ИК – измерительная катушка; НК – намагничивающая катушка; ИО – испытуемый образец; ВАХ – вольтамперная характеристика; УЭК – устройство экспресс-контроля; АЦП – аналогоцифровой преобразователь; ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, изложены цели и задачи диссертационной работы, научная новизна и практическая ценность.

изготовления ЭТИ и осуществляет управление технологическим процессом производства, направленное на повышение количества годных изделий, по магнитным свойствам на операциях механической (МО), термической обработки (ТО), сборки магнитопроводов (СМ), укладки обмоток (УО). В процессе производства каждая технологическая операция подвергается воздействию случайных факторов (Vмо, Vто, Vсм, Vуо). В комплекс технических средств подсистемы входят предложенные устройства экспресс-контроля (УЭК1 – листовой стали, УЭК2 – магнитопроводов и готовых ЭТИ) магнитных свойств заготовок и изделий, устройства управления технологической операцией (УУТО) (параметрами механической обработки, скорости нагрева и охлаждения, температуры нагрева при термической обработке, параметров оборудования и др.), устройства ввода вывода (УВВ) информации, устройство моделирования технологического процесса (УМТП).

Подсистема функционирует следующим образом. Устройство экспрессконтроля 1 определяет магнитные характеристики материала листов (не прошедших механическую обработку). Целые листы или их участки, не соответствующие требованиям производства, вырезаются и отправляются в брак. Листы, удовлетворяющие требованиям, отправляются на механическую обработку. После операций штамповки, рубки, резки то же УЭК1 сортирует полученные листовые заготовки на n групп. На основании измеренных параметров УМТП принимает решение направить (n–1) групп на термическую обработку по восстановлению магнитных свойств, а одна группа составляет брак, не подлежащий восстановлению. На этапе ТО группы подвергаются отжигу, с параметрами, установленными для каждой группы отдельно. После термической обработки производится повторный контроль магнитных параметров отожженных заготовок в УЭК1, а затем – механическая сборка магнитопроводов. Готовые магнитопроводы проходят контроль качества в УЭК2, по результатам которого УМТП формирует необходимые параметры для технологической операции УО (число витков, коэффициент заполнения и т.д.). Готовые ЭТИ проходят выходной контроль в УЭК2.

Важными элементами подсистемы управления (рис. 1) являются устройства экспресс-контроля. Сформулированы основные требования, предъявляемые к разрабатываемым УЭК. Для обеспечения максимальной производительности необходимо разработать УЭК, которые потребуют осуществления минимума подготовительных операций над испытуемым изделием. В частности, при проведении операции контроля магнитных параметров целых листов, либо формированных заготовок из них, оптимальными будут устройства, не требующие нанесения каких-либо обмоток. Максимальную производительность контроля готовых электротехнических изделий обеспечат УЭК, не требующие нанесения дополнительных обмоток на изделие, кроме уже имеющихся.

Внедрение автоматизированных подсистем управления процессом производства изделий из ЭТС сдерживается тем, что существующие методы и средства испытаний не позволяют с погрешностью не более ± 5 % и производительностью более 100 шт/ч определять наиболее информативные характеристики (ДПГ и ДКН изделия) на готовых ЭТИ и на заготовках. Учитывая это, были определены задачи, подлежащие решению в данной работе.

Во второй главе «Методы испытания электротехнических изделий и их заготовок» предложен метод экспресс-испытаний ДПГ и ДКН изделий из листовой электротехнической стали, основанный на использовании ДММ. Дифференциальный магнитный мост используется в качестве средства сравнения характеристик двух образцов, обеспечивая при этом компенсацию магнитных потоков рассеивания. Предлагается использовать ДММ для определения характеристики ИО, прикладываемого только к одной стороне ДММ (рис. 2). Распределение магнитных потоков в магнитной системе (рис. 2) сформировано на основании результатов предварительных исследований, проведенных с помощью моделей на основе МКЭ. На данном рисунке: 1 – сердечник ДММ; 2 – четыре намагничивающие катушки ДММ; 3 – ИО; 4 – ИК ДММ; Ф1, Ф7, Ф8, Ф9, Ф10, Ф11, Ф12, Ф18, Фв – магнитные потоки, проходящие по воздуху; Ф2, Ф – магнитные потоки, проходящие по ИО вне испытуемой области; Фио – магнитный поток, проходящий по испытуемой области ИО; Ф3, Ф4, Ф5, Ф6, Фн, Ф13, Ф14, Ф15, Ф16 – магнитные потоки, проходящие по сердечнику ДММ; Фij – часть магнитного потока Фj.

Предлагаемый метод заключается в том, что четыре НК ДММ подключаются к источнику переменного напряжения, пара полюсов (верхних или нижних) сердечника ДММ Н-образной формы прижимается к ИО и по ЭДС, наводимой в ИК, определяется магнитный поток Фио и магнитная индукция Bио в ИО. Значения напряженности магнитного поля Hио(t) в ИО определяются с магнитных потоков Ф в ДММ использования значений магнитного потока Фн в центральной части ДММ для определения магнитного потока в ИО, совпадающем по геометрическим размерам с размерами межполюсного пространства ДММ. Для этого случая методическая погрешность м складывается из двух составляющих м=м1+ м2.

Составляющая м1 обуславливается возможной асимметрией всех частей магнитной системы, кроме сравниваемых объектов (ИО, воздушного пространства над ним и воздушного пространства в нижней части ДММ). В частности, отличием между собой магнитных сопротивлений полюсов сердечника методической погрешности предлагается при изготовлении сердечника ДММ использовать материал ное превосходство площади сердечника ДММ Sдмм сведет к нулю сопротивления полюсов сердечника ведет к значительному увеличению погрешности.

грешности м10,3 %.

Составляющая м2 обуславливается различием магнитных потоков по воздуху в верхней и нижней Результаты предварительного моделирования поRн Фн потоков по воздуху в верхней части ДММ составФ5 Ф ляет:

В случае, когда ИО насыщен (µио=100):

Принято решение не учитывать различие рические размеры, во всех направлениях превосхоRв дящие межполюсное пространство ДММ, предлоФ ного сравнения с эталонным изделием, имеющим ту же форму, что и ИО, прижатым ко второй стороне ДММ.

На рис. 3 показана модель ДММ с ИО, превосходящим по длине cио длину межполюсного пространства ДММ (cсер), но совпадающим с ним по ширине (рис. 2), основанная на МЭМ. На данном рисунке приняты следующие обозначения: Iw(1-4) – эквивалентные источники магнитного поля (НК); Rп(1-8) – эквивалентные магнитные сопротивления полюсов сердечника ДММ; Rв11, Rв23, Rв21, Rв31, Rв22, Rв – эквивалентные магнитные сопротивления воздушных участков; Rвз – эквивалентное магнитное сопротивление воздушных зазоров между полюсами ДММ и ИО; Rод(1-2) – магнитные сопротивления ИО вне испытуемой области; Rв_од(1-2) – магнитные сопротивления воздушных участков, симметричных частям ИО вне испытуемой области; Rоп(1-2) – магнитные сопротивления ИО в поперечном сечении, перпендикулярном направлению магнитных потоков, в месте соприкосновения ИО с полюсами ДММ; Rв_оп(1-2) – магнитные сопротивления воздушных участков, симметричных частям ИО в поперечном сечении, перпендикулярном направлению магнитных потоков, в месте соприкосновения ИО с полюсами ДММ; Rн – сопротивление центральной части сердечника ДММ; Rо – сопротивление испытуемой области ИО; обозначение магнитных потоков Фj аналогично обозначению на рис. 2.

Рис. 4. Дифференциальный преобразователь магнитной индукции полюса ДПМИ, производится выделение магнитных потоков, уходящих в сторону испытуемой области ИО (Ф31, Ф8, Фио) от остальных. При этом доля магнитных потоков, не охваченных ИК 4 (или 6), но проходящих по испытуемой области образца, должна составлять не более 2 %. За счет встречного включения ИК 4 (или 6) и ИК 5 (или 7) производится вычитание магнитных потоков: Фик=Ф8+Фио–Фв–Ф11=Фио–Фв. Составляющая методической погрешности м2 в данном случае, также как для случая ИО, совпадающего по размерам с размерами межполюсного пространства ДММ, составляет м2 2 %.

Допустим, что магнитный поток в испытуемой области образца распределен равномерно, тогда значение магнитной индукции в нем можно определять, зная значение магнитного потока, пересекающего измерительные катушки, и площадь поперечного сечения образца:

На основании исследования моделей, сформированных по МЭМ, был проведен анализ возможности использования сигнала тока в НК i(t) для расчета значений напряженности магнитного поля в ИО Hио. При этом допускается, что напряженность магнитного поля в испытуемой области образца распределена равномерно. Эквивалентное сопротивление любого участка магнитной цепи определяется выражением:

мость участка; µ0 – магнитная постоянная, µ0=4·10-7, Гн/м; Sуч – площадь поперечного сечения участка, м2. Магнитное поле на участке, имеющем магнитное сопротивление Rуч, определяется выражением: H уч l уч Ф уч Rуч, где Hуч – напряженность магнитного поля на участке, А/м; Фуч – поток, проходящий через участок, Вб. Основываясь на том, что площадь поперечного сечения ИО Sио мала по сравнению с площадью поперечного сечения ДММ (ДПМИ) Sдмм, можно считать, что магнитное сопротивление ИО Rио значительно превосходит магнитное сопротивление участков ДММ (ДПМИ) Riдмм. Тогда магнитное поле будет концентрироваться в ИО, особенно в случае насыщения ИО, когда величина его магнитной проницаемости µио мала. Следовательно, правомерно будет определять напряженность магнитного поля в ИО Hио по формуле (1).

Предложенный ДПМИ (рис. 4) в совокупности с датчиком тока в НК составляют основу устройства для экспресс-контроля магнитных параметров изделий из листовой электротехнической стали. Исходя из требования, что площадь сердечника ДПМИ должна быть много больше площади ИО Sпми>> Sио, сделан вывод, что предложенный метод для испытания изделий из листовой электротехнической стали не эффективен для контроля магнитных параметров габаритных изделий Sпми Sио.

метод контроля магнитных параметров габаритных изделий (Sпми Sио) из магнитомягких материалов.

Автором предлагается метод экспресс-испытания изделий из магнитомягких материалов, основанный на использовании феррорезонансной электрической цепи. Произведен анализ электрической цепи с нелинейным элементом типа катушка с ферромагнитным сердечником (рис. 5). На данном рисунке: V1 – Рис. 5. Схема исследования генератор синусоидального напряжения; R1 – активная составляющая сопротивления цепи; L1– одновитковая тороидальная катушка с ферромагнитным сердечником; С1 – конденсатор. Соответствующее дифференциальное уравнение:

где U1(t) – напряжение на выходе генератора V1; i(t) – ток в последовательной цепи;

(t) – потокосцепление магнитного потока Ф, проходящего по ИО с витком катушки, нанесенной на ИО, (t)=B(t)·S, S – площадь поперечного сечения ИО. Форма изменения потокосцепления во времени (t) для цепей, содержащих только активное и индуктивное сопротивления, определяется их соотношением. Чем больше индуктивное сопротивление по отношению к активному, тем ближе коэффициент основной гармоники KгB зависимости B(t) к единице, и вся нелинейность ДПГ определяется нелинейностью напряженности магнитного поля; и наоборот. Предположим, что коэффициент основной гармоники KгB зависимости B(t) равен единице и B(t)=Bm·sin(t). Для анализа работы феррорезонансной цепи используем модель катушки с сердечником, основанную на системе уравнений:

здесь im1 – координата точки расщепления (пропорциональна коэрцитивной силе ИО Hc); im2, m – координаты точки насыщения (рис. 6); m, n – целые числа; – круговая частота перемагничивания, =2f, f – частота намагничивающего тока (напряжения питания), Гц. Тогда Произведем двойное дифференцирование уравнения (3) и подстановку в него выражений (4). Учтем также, что sin(tm)=1, а cos(tm)=0, получим Подставляя (5) в (6), получим:

где K – коэффициент пропорциональности:

Напряженность магнитного поля H замкнутого сердечника прямопропорциональна току i в катушке индуктивности L1:

где w – число витков намагничивающей обмотки, lср – длина средней магнитной линии сердечника.

Основываясь на полученных выражениях (7) и (8), можно сделать вывод, что характеристики B(H) и U(i) будут пропорциональны при соблюдении условия: U1(tm)=Um и i(tm)=im. Тогда по ВАХ намагничивающей цепи можно судить о ДКН и ДПГ ИО.

Проведен анализ работы цепи (рис. 5) на основании модели катушки с сердечником, учитывающей перемагничивание сердечника по петле гистерезиса. Модель описывается системой уравнений:

где i1=i – ic, i2=i + ic, ic – значение тока, пропорциональное коэрцитивной силе на петле гистерезиса.

где Lэкв L0 3k 3ic 0.75k 3 I m – эквивалентная индуктивность по основной гармонике; – частота; Um, Im – амплитудные значения напряжения генератора V1 и тока в цепи, соответственно. Получена ФЧХ феррорезонансной цепи:

На основании полученных уравнений для АЧХ и ФЧХ доказано, что при некоторой амплитуде напряжения питания Uml совпадение фаз между током i и напряжением U1 не наступит ни при каком значении частоты или емкости конденсатора C1, и, следовательно, не всегда возможно определить всю характеристику ДКН по ВАХ.

Предлагается метод экспресс-контроля магнитных параметров массивных изделий из магнитомягких материалов («метод совпадающих амплитуд»), заключающийся в том, что:

1) в цепь генератора синусоидального напряжения U(t) включается НК, нанесенная на эталонный образец, переменный управляемый конденсатор, измеритель тока;

2) для требуемых значений амплитуды тока цепь настраивается в режим совпадения фаз амплитуд тока в намагничивающей катушке и сигнала на выходе генератора синусоидального напряжения;

3) фиксируются значения напряжения на выходе генератора синусоидального напряжения U(t) и намагничивающего тока i(t), соответствующие одному периоду перемагничивания;

4) строится ВАХ феррорезонансной цепи U(i), координаты точек которой пропорциональны координатам точек ДПГ эталонного образца;

5) повторяются пункты 1-4 для испытуемого образца, для чего в цепь генератора синусоидального напряжения вместо НК эталонного образца включают НК, нанесенную на ИО;

6) путем сравнения ВАХ электрических цепей, включающих в одном случае испытуемый, а в другом эталонный образец, судят о различии их магнитных параметров, таких как остаточная магнитная индукция Br, коэрцитивная сила Hc, потери на перемагничивание P.

В третьей главе «Исследование методов экспресс-контроля динамических магнитных параметров изделий» произведены исследования предложенных методов. Проведена оптимизация параметров ДПМИ (рис. 4) методом крутого восхождения. Получены параметры формы сердечника преобразователя, расположения и геометрии его намагничивающих и измерительных катушек, позволяющие обеспечить Рис. 8. Модель ДПМИ с ИО в системе Ansoft Maxwell 3D.

Распределение векторов магнитной индукции на поверхности ДПМИ и ИО сложной разомкнутой формы: 1 – ИО; 2 – сердечник ДПМИ; 3, 4, 5, 6 – намагничивающие катушки H (1). Сравнение определенных с помощью ДПМИ зависимостей Bио(Hио) с известными магнитными характеристиками Bизв(Hизв) для всех испытанных материалов показало, что погрешность измерения составляет х 5 %. Произведено моделирование пропорционально уменьшенных/увеличенных в n=10 раз ДПМИ и ИО. Намагничивающий ток был также изменен в 10 раз. Погрешность измерения при этом возросла незначительно (в 1,2/1,1 раза). Произведены исследования влияния вихревых токов, возникающих в ИО, на погрешность измерения магнитного потока с помощью предложенного преобразователя магнитной индукции. Исследования показали, что вихревые токи, возникающие в ИО на частотах 50400 Гц, не оказывают существенного влияния на результаты измерения (чтобы погрешность превысила 5 %).

Все проведенные исследования применимости разработанного ДПМИ для измерения магнитных характеристик изделий из листовой ЭТС подтвердили возможность измерения магнитного потока с погрешностью не более 5 %. Исключение составляет параметр – толщина ИО. Погрешность измерения находится в рамках допустимой (5 %) при соотношении толщины ИО dио к ширине полюса dп не более d= dио/dп=0,04.

Таким образом, подтверждено, что испытание массивных изделий с помощью предложенного метода нецелесообразно.

Автором предложена и исследована схема автоматической настройки по методу «совпадающих амплитуд» (рис. 10).

В этой схеме: V1 – регулируемый источник синусоидального напряжения; L1 – намагничивающая катушка, нанесенная на испытуемый образец; конденсатор С1 – переменная составляющая емкости феррорезонансного контура, образованного активным сопротивлением R1, намагничивающей катушкой L1; Д1 и Д2 – блоки дифференциаторов; ФД – фазовый детектор; ИР – интегрирующий регулятор.

Рис. 10. Структурная схема, реализующая автоматическую настройку по методу Путем моделирования схемы, представленной на рис. 10, проведена проверка чувствительности предложенного метода к изменениям магнитных параметров испытуемого образца. На рис. 11 показаны характеристики материалов, имеющих различные формы петли гистерезиса.

Рис. 11. Петли гистерезиса B(H) различной формы и соответствующие им ВАХ цепи Для установления возможности определения значений магнитной индукции B по значениям питающего напряжения U1 были исследованы сердечники из магнитомягких материалов с различными значениями остаточной магнитной индукции Br. Максимальная погрешность определения значений максимальной магнитной индукции Bm составила 2,5 %, а остаточной магнитной индукции Br – 0,9 %. Погрешность определения параметров ДПГ по методу совпадающих амплитуд не превышает 5 %, что говорит о его эффективности при сравнении магнитных свойств изделий, имеющих хотя бы одну обмотку.

Путем ступенчатого увеличения амплитуды напряжения на выходе генератора E (рис. 10) были найдены такие граничные ее значения Uml, свыше которых невозможно произвести настройку схемы в состояние совпадения по фазе амплитуд напряжения питания и тока в цепи ни при каком значении емкости конденсатора С1. В абсолютном большинстве случаев данная граница Uml находится в области начального магнитного насыщения ИО.

В четвертой главе «Разработка и исследование устройств контроля динамических магнитных параметров для систем управления технологическим процессом производства электротехнических изделий» разработан ряд устройств, реализующих дифференциальный метод испытаний для заготовок из ЭТС и метод «совпадающих амплитуд», предложенные в главе 2.

Автором разработано устройство для экспресс-контроля изделий из ЭТС, в состав которого входят: намагничивающее устройство накладного типа, представляющее собой сердечник Н-образной формы с нанесенными на нем намагничивающими катушками, к верхним или нижним концам которого прижимается испытуемое изделие; усилитель переменного напряжения; датчик тока; четыре измерительные катушки, установленные в специальные пазы на четырех полюсах сердечника; усилитель канала индукции; интерфейсная плата E14-440D, в которой используются два программируемых усилителя, коммутатор, АЦП и ЦАП; персональный компьютер. В программном обеспечении устройства реализованы: управление напряжением на входе намагничивающих катушек для последовательного увеличения магнитного поля;

расчет индукции по ЭДС, снятой с измерительных катушек; расчет напряженности магнитного поля по току в намагничивающих катушках. Проведен анализ распределения плотности вероятности случайной величины ошибки измерения. Рассчитаны параметры полученного распределения. Полученные результаты позволяют, при наличии информации о распределении плотности вероятности случайной величины контролируемого параметра, определять ошибки первого и второго рода.

Автором разработано устройство экспресс-контроля готовых ЭТИ с помощью одной обмотки, в состав которого входят: усилитель переменного напряжения; управляемый магазин конденсаторов; датчик тока; делитель напряжения; интерфейсная плата E14-440D, включающая в себя два программируемых усилителя, коммутатор, АЦП, ЦАП, интерфейс цифровых выходов; персональный компьютер. В программном обеспечении устройства реализованы: алгоритм автоматической настройки электрической цепи, включающей намагничивающие катушки, в состояние совпадения по фазе амплитуд напряжения питания и тока; определение индукции производится по напряжению питания; расчет напряженности магнитного поля по току в намагничивающих катушках. Путем ступенчатого увеличения амплитуды напряжения на выходе усилителя переменного напряжения экспериментально была подтверждена граница возможности настройки совпадения фаз амплитуд напряжения питания и тока в цепи Uml, находящаяся в области начального магнитного насыщения ИО.

Технические характеристики устройств: производительность без учета подготовительных операций: до 220 шт/ч; погрешность измерения ДКН и ДПГ не более 5 %.

Разработанные устройства приняты к внедрению в ЗАО «Ирис», ООО «ПСК ЦИТ», учебный процесс на кафедре «Информационные и измерительные системы и технологии». Разработан ряд программных продуктов, предназначенных для управления процессом контроля и обработки результатов измерений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. На основании проведенного анализа изменения свойств заготовок из ЭТС в процессе изготовления ЭТИ показано, что для повышения качества изделий, уменьшения их массы и габаритов эффективным является внедрение автоматизированных подсистем управления процессом производства, отличительной особенностью которых является адаптивное управление параметрами операций технологического процесса. Определены основные требования к УЭК со стороны подсистемы. Установлена необходимость разработки принципов построения и создания УЭК, обеспечивающих точность испытаний не хуже ± 5 % с производительностью более 100 шт/ч, определяющих наиболее важные для данного типа изделий параметры на всех основных этапах производства.

2. Предложен метод испытаний заготовок из ЭТС, обеспечивающий максимальное быстродействие, за счет применения намагничивающей системы накладного типа;

широкий спектр контролируемых параметров и приемлемую погрешность, за счет компенсации магнитных потоков вне испытуемой области ИО.

3. Предложен новый дифференциальный преобразователь магнитной индукции.

Конструкция разработанного преобразователя и специальное расположение измерительных катушек обеспечивает выделение из всех магнитных потоков, действующих в магнитной системе преобразователя и испытуемого образца, потока через испытуемую область образца.

4. 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 и тока в цепи, и амплитудного значения магнитной индукции в сердечнике: Bm K U m.

5. На основании выявленной взаимосвязи, предложен метод контроля магнитных параметров готовых ЭТИ по ВАХ намагничивающей цепи без проведения подготовительных операций, что увеличивает производительность контроля. В процессе контроля индукция магнитного поля в изделии определяется пропорционально напряжению питания феррорезонансной цепи, а напряженность магнитного поля – току в намагничивающей катушке изделия.

6. Разработаны структурные, функциональные схемы, алгоритмы и программы управления УЭК готовых ЭТИ и их заготовок, реализующих предложенные методы испытаний и предназначенные для работы в составе систем управления их производством.

7. Созданы устройства экспресс-контроля динамических магнитных характеристик листовой стали и готовых электротехнических изделий для подсистемы управления технологическим процессом производства ЭТИ. Возможно применение разработанных технических средств в качестве автономных. Устройства обеспечивают производительность контроля до 220 шт/ч и погрешность измерения не более ± 5 %. Созданные УЭК позволяют испытывать изделия различных форм и габаритов с широким спектром основных магнитных параметров (магнитная индукция насыщения Bs=0,13,0 Тл, коэрцитивная сила по индукции магнитного поля Hc=0,1103 А/м).

8. Материалы диссертации переданы в: ЗАО «Ирис» г. Новочеркасск, ООО «Проектно-строительная компания Центр инженерных технологий» г. Ростов-на-Дону; используются в учебном процессе ЮРГТУ (НПИ). Получены соответствующие акты внедрения.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В ЖУРНАЛАХ,

РЕКОМЕНДОВАННЫХ ВАК И ПАТЕНТЫ

1. Шайхутдинов, Д.В. Измерение магнитных характеристик элементов мехатронных систем в режиме последовательного резонанса / Д.В. Шайхутдинов, М.В. Ланкин, В.В. Боровой // Известия вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. – 2009. – Спец. выпуск: Мехатроника. Современное состояние и тенденции развития.– С. 177-179.

2. Шайхутдинов, Д.В. Резонансные методы испытания магнитных материалов / Д.В. Шайхутдинов, М.В. Ланкин, В.В. Боровой // Известия вузов. Сев.-Кавк. регион.

Техн. науки. – 2009. – Спец. выпуск. – С.41-46.

3. Шайхутдинов, Д.В. Метод контроля магнитных свойств изделий из магнитомягких материалов / Д.В. Шайхутдинов // Известия вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн.

науки. – 2010. – №4. – С. 46-50.

4. Свид. об оф. рег. прогр. для ЭВМ 2010613503 Российская Федерация. Испытание изделий из листовой электротехнической стали (ИспытаниеИЛЭТС) / Шайхутдинов Д.В., Горбатенко Н.И., Ланкин М.В. [и др.]; Роспатент. – №2010611837; заявл.

05.04.10; зарег. 28.05.10.

5. Пат. 96260 Российская Федерация, МПК G 01 R 33/12. Устройство для экспресс-испытания изделий из листовой электротехнической стали / Шайхутдинов Д.В., Ланкин М.В., Горбатенко Н. И. [и др.]; заявитель и патентообладатель Юж.-Рос. гос.

техн. ун-т (НПИ). – № 2010107999/22; заявл. 04.03.10; опубл. 20.07.10, Бюл. № 22. – 6. Свид. об оф. рег. прогр. для ЭВМ 2010613504 Российская Федерация. Испытание изделий из магнитомягких материалов (ИспытаниеИМММ) / Шайхутдинов Д.В., Горбатенко Н.И., Ланкин М.В. [и др.]; Роспатент. – № 2010611938; заявл. 05.04.10; зарег. 28.05.10.

7. Свид. об оф. рег. прогр. для ЭВМ 2009614835 Российская Федерация. Расчет площади петли гистерезиса / Шайхутдинов Д.В., Ланкин М.В., Горбатенко Н.И. [и др.]; Роспатент. – № 2009613567; заявл. 08.07.09; зарег. 07.09.09.

8. Свид. об отрасл. рег. разраб. 11118 Российская Федерация / Расчет погрешности петли гистерезиса PogrIPsi 1.0 / Шайхутдинов Д.В., Горбатенко Н.И., Ланкин М.В.

[и др.]; заявл. 05.08.08; зарег. 8.07.08.

9. Пат. 2357265 Российская Федерация, МПК G 01 R 33/14. Устройство для испытания изделий из ферромагнитных материалов / Горбатенко Н.И., Ланкин М.В., Наракидзе Н.Д., Шайхутдинов Д.В. [и др.]; заявитель и патентообладатель Юж.-Рос. гос.

техн. ун-т (НПИ). – № 2007124697/28; заявл. 29.06.07; опубл. 27.05.09, Бюл. № 15. – 10 с.

ПРОЧИЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

10. Шайхутдинов, Д.В. Измерение магнитных параметров изделий из ферромагнитных материалов в режиме последовательного резонанса / Д.В. Шайхутдинов, Н.И.

Горбатенко, М.В. Ланкин [и др.] // Материалы XVII Междунар. конф. по постоянным магнитам, г. Суздаль, 21-25 сент. 2009 г.:

- М.: Изд. Дом МИСиС, 2009. – С. 136-137.

11. Тришечкин, Е.В. Устройства для динамического намагничивания образцов магнитомягких материалов / Е.В. Тришечкин, Д.В. Шайхутдинов // Эврика-2007 :

офиц. материалы Всерос. смотра-конкурса науч.-техн. творчества студентов вузов, г. Новочеркасск, 20-26 нояб. 2007 г. /Федер. агентство по образованию; Юж.-Рос. гос.

техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск, 2007. – 1 электрон. опт. диск (DVD). – Системные требования : ПК Pentium-2000, 32 MB RAM, DVD-ROM-4x, Windows-98/XP/Vista.

12. Шайхутдинов, Д.В. Измерение магнитных параметров элементов мехатронных систем / Д.В. Шайхутдинов, К.Д. Саввина, М.В. Ланкин [и др.] // Студенческая научная весна – 2008: Сборник научных трудов аспирантов и студентов ЮРГТУ(НПИ) / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2008. – С. 152-153.

13. Шайхутдинов, Д.В. Устройство измерения магнитных параметров электротехнических сталей с накладным датчиком / Д.В. Шайхутдинов, В.В. Боровой // Студенческая научная весна – 2009: Сборник научных трудов аспирантов и студентов ЮРГТУ(НПИ) / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2009. – С. 165-166.

14. Зоря, И.А. Метод вычисления площади петли гистерезиса / И.А. Зоря, Д.В. Шайхутдинов // Студенческая научная весна – 2007 : Сборник научных трудов аспирантов и студентов ЮРГТУ(НПИ)/ Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2007. – С. 52.

15. Шайхутдинов, Д.В. Влияние вихревых токов на погрешность измерения магнитного потока дифференциальным магнитным мостом / Д.В. Шайхутдинов // Результаты исследований – 2010: материалы 59-ой научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ) / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2010. – С. 231-233.

16. Шайхутдинов, Д.В. Устройство для экспресс-контроля электротехнической стали / Д.В. Шайхутдинов // II Международная научно-практическая конференция «Научно-техническое творчество молодежи – путь к обществу, основанному на знаниях»: Сборник научных докладов/ Мос. гос. строит. ун-т. – М: МГСУ, 2010. – С. 246-247.

17. Шайхутдинов, Д.В. Устройство для экспресс-контроля электротехнической стали / Д.В. Шайхутдинов, В.В. Боровой // Студенческая научная весна – 2010: Сборник научных трудов аспирантов и студентов ЮРГТУ(НПИ) / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2010. – С. 184-185.

Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах: [1, 10, 14] – разработка алгоритма, проведение экспериментальных исследований; [2] – разработка и моделирование устройства автоматической настройки в резонанс; [4, 6, 8] – разработка и программирование алгоритма; [5] – разработка структурной схемы, проведение экспериментальных исследований; [7] – программирование алгоритма; [13, 17] – проведение экспериментальных исследований; [11] – разработка и моделирование устройства для создания заданного режима изменения магнитной индукции; [12, 13] – разработка алгоритма работы и настройки устройства.

МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА ЭКСПРЕСС-КОНТРОЛЯ

ДИНАМИЧЕСКИХ МАГНИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ

ПРОЦЕССОМ ПРОИЗВОДСТВА

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

Формат 6084 1/16 Бумага офсетная. Ризография.

Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,6. Тираж 100 экз. Заказ 48-1160.

346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения,