На правах рукописи

Сизова Ирина Александровна АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕМ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА НА ПРИМЕРЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО МАРКИРОВАНИЯ Специальность 05.13.06 Ч Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2007

Работа выполнена в Государственном Образовательном Учреждении Высшего Профессионального Образования Московском Государственном Технологическом Университете Станкин (ГОУ МГТУ Станкин) Научный руководитель доктор технических наук, профессор Л.Э. Шварцбург Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор О.В. Веселов кандидат технических наук М.Г. Фокин Ведущее предприятие ФГУП ЦНИИчермет им. И.П.

Бардина

Защита состоится л11 октября 2007 г. в 11 часов 00 минут на заседании диссертационного совета К 212.142.01 при Московском государственном технологическом университете Станкин по адресу:

127055, ГСП, Москва, Вадковский пер., 3а.

Отзыв о работе, заверенный печатью, в 2-х экземплярах просьба направлять по указанному адресу в диссертационный совет К 212.142.01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ Станкин.

Автореферат разослан л11 сентября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук И.М. Тарарин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Стратегия развития современного машиностроительного производства предполагает существенное повышение уровня производительности технологических процессов с целью обеспечения выпуска продукции требуемого качества в заданный срок при минимальных затратах. Современное машиностроение развивается в условиях жесткой конкуренции и развитие его идет в направлениях существенного повышения качества продукции, сокращения времени обработки, повышения интеллектуальной оснащенности машиностроительной отрасли. Вместе с тем, в настоящее время в число важнейших критериев при разработке оборудования выдвигается экологическая составляющая качества технологических процессов.

Важное место в технологических процессах обработки составляют процессы, основанные на законах электрохимии - электрохимические методы обработки. Наряду с несомненными достоинствами, электрохимические методы обработки имеют присущие им недостатки. Так, например, вещества, выделяемые при электрохимической обработке, загрязняют рабочую зону технологического оборудования и, как следствие, окружающую среду.

Для производственного оборудования электрохимической обработки характерен конфликт технических и экологических показателей - как правило, чем выше производительность оборудования, тем выше выделение вредных веществ в окружающую среду. Не вызывает сомнений, что наиболее конкурентоспособным будет оборудование, обеспечивающее максимальную производительность при минимально возможном выделении вредных веществ.

Для экологически ориентированного технологического оборудования управление работой должно быть гибким, учитывающим материал обрабатываемой детали и состав электролита. Кроме того, необходимо минимизировать участие оператора или полностью исключить его. Решение поставленной задачи возможно созданием системы автоматического управления параметрами технологического оборудования, учитывающей потребности современного машиностроения.

Целью работы является обоснование возможности автоматизации и управления обеспечением экологических показателей качества технологических процессов электрохимической обработки на примере электрохимического маркирования.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Исследование зависимости выделения вредных веществ от традиционных для электрохимического маркирования управляемых параметров и установление взаимосвязи экологических показателей с параметрами технологических процессов электрохимического маркирования посредством управления параметрами технологического процесса.

2. Разработка алгоритма управления процессом электрохимического маркирования в соответствии с сопоставлением критериев экологических показателей и традиционных для электрохимического маркирования управляемых параметров.

3. Предварительное экологически ориентированное проектирование системы автоматического управления процессом электрохимического маркирования.

Методы исследования. При исследовании применялись основные положения теории автоматического управления, теоретической электрохимии, прикладной экологии, теории эксперимента. Обработка экспериментальных исследований осуществлялась с применением вычислительной техники.

Научная новизна работы заключается:

в установлении зависимостей характеристик выделения вредных веществ при электрохимическом маркировании от управляемых параметров технологического процесса;

в адаптации традиционной системы управления к задачам создания экологически ориентированного процесса электрохимического маркирования;

в разработке системы автоматического управления процессом электрохимического маркирования с учетом экологического фактора.

Практическая ценность работы заключается в повышении технического уровня и интеллектуальной оснащенности оборудования, в частности его конкурентоспособности, на основе улучшения экологических показателей качества посредством автоматического управления этими показателями.

Кроме того, практическое значение имеет разработка методики построения автоматизированной системы управления экологическими показателями качества процесса электрохимического маркирования, а также установление количественных зависимостей экологических показателей от режимов работы при электрохимическом маркировании.

Реализация результатов работы.

Основные положения работы были использованы при выполнении научноисследовательской работы по теме Информационно-аналитическое обеспечение человеко- и природозащитных технологий в технологической среде для обработки изделий (НИР № 06-08/БЗ), а также в учебном процессе на кафедре Инженерная экология и безопасность жизнедеятельности Московского государственного технологического университета СТАНКИН при чтении курсов Автоматизация обеспечения экологических показателей качества в машиностроении, Автоматические системы обеспечения безопасности технологических процессов, Инженерно-экологическое обеспечение технологических процессов.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

1. Международных конференциях Производство. Технология.

Экология. ПРОТЭК в сентябре 2005 г., сентябре 2006 г.

2. Заседаниях кафедры Инженерная экология и безопасность жизнедеятельности 17 мая 2005 г. (протокол № 5 от 17.05.2005 г.), 28 июня 2007 г. (протокол № 6 от 28.06.2007 г.) Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, изложена на 88 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 10 таблиц, список литературы включает в себя 67 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика работы и обосновывается ее актуальность.

В первой главе рассмотрены сущность, назначение электрохимических методов обработки материалов, их место и значение в промышленности, виды электрохимической обработки и ее особенности. Рассмотрены методы реализации процессов электрохимического маркирования, применяемые при этом электролиты, оборудование и технологии. Проанализирован комплекс факторов, воздействующих на окружающую среду и человека при реализации процессов электрохимического маркирования. Также рассмотрены существующие методы и средства обеспечения экологической безопасности и безопасности человека при электрохимической обработке.

Проанализированы работы ученых и специалистов в области автоматизации и управления технологическими процессами и обеспечением качества продукции, в первую очередь, О.В. Веселова, В.П. Вороненко, Н.А. Ивановой, М.Г. Косова, В.Г. Митрофанова, О.П. Михайлова, Ю.М.

Соломенцева, И.В. Хризоменова, Л.М. Червякова, Л.Э. Шварцбурга и др.;

ученых и специалистов в области электрохимических методов обработки, в первую очередь, В.П. Смоленцева, Г. П. Смоленцева, Л.Я. Попилова и др., направленные на повышение уровня технологического оборудования и качества технологических процессов при электрохимической обработке.

Анализ этих работ показал, что оборудование для электрохимической обработки представляет собой источник негативного влияния на качество окружающей среды и безопасность человека, а также позволил выявить характерные загрязнения окружающей среды и опасности для человека, возникающие в результате электрохимических реакций, характерных для электрохимического маркирования и причины их возникновения.

Кроме того, были выделены параметры технологических процессов электрохимического маркирования, по которым возможно осуществление автоматического управления экологическими показателями качества.

Исходя из результатов анализа было определено направление исследований, поставлена цель и сформулированы задачи работы, а также обоснована их новизна и практическая значимость.

Во второй главе рассмотрена методика экспериментальных исследований выделения вредных веществ при электрохимическом маркировании, создана экспериментальная установка, реализующая эту методику, представлены результаты экспериментальных исследований выделения вредных веществ в зависимости от характеристик технологического процесса электрохимического маркирования.

В процессе экспериментальных исследований были установлены факторы, влияющие на концентрацию вредных веществ, выделяемых в воздух рабочей зоны при электрохимическом маркировании. Исследования проводились с использованием рекомендуемого электролита Na2SO4, использующимся в промышленности для маркирования деталей. В ходе процесса электрохимического маркирования был выявлен ряд загрязнителей воздуха рабочей зоны, в частности, диоксид азота NO2, диоксид серы SO2, оксид углерода СО. Было установлено, что доминирующим веществомзагрязнителем является оксид углерода Ч вещество IV класса опасности (ПДКр.з.=20 мг/м3), - который при повышенных концентрациях представляет собой смертельно опасный яд.

В ходе экспериментальных исследований были также установлены параметры технологического процесса, наиболее значимо влияющие на интенсивность выделения вредных веществ воздух рабочей зоны. К этим параметрам относятся:

Х усилие подачи электрода-инструмента;

Х ток, протекающий через электрод-инструмент;

Х концентрация электролита.

Их влияние обусловлено следующими соображениями. С одной стороны, с увеличением усилия подачи увеличивается площадь контакта пары электроддеталь, что снижает плотность тока, с другой стороны, уменьшается переходное сопротивление этой пары, что при равном токе уменьшает падение напряжения на паре электрод-деталь. Влияние этих факторов разнополярно, поэтому направление их результирующей представляет практический интерес.

Проводились исследования функциональных зависимостей концентрации СО от значения усилия подачи, равного 10, 20, 30, 40 и 50 Н для каждой из серии опытов.

Влияние тока, протекающего через электрод-инструмент, основывается на представлениях, вытекающих из общих законов электрофизики Ч с увеличением тока растет выделение продуктов электролиза. Исследовались функциональные зависимости концентрации угарного газа при различных значениях тока, протекающего через электрод-инструмент. Значения тока составляли 4, 8, 10, 13 и 15 А для каждой из серии опытов.

Априори можно предположить, что концентрация оксида углерода возрастает с ростом концентрации электролита. Эта посылка предопределила выбор третьего параметра.

Для измерения концентрации вредных веществ - продуктов электрохимического маркирования, использовался газоанализатор КАСКАД-Н 511.2, имеющий относительную погрешность 20 %.

Для выявления переходной характеристики газоанализатора были исследованы зависимости показаний прибора от времени при фиксированных усилиях подачи электрода-инструмента; тока, протекающего через электродинструмент и концентрации электролита.

Временные зависимости установления показаний газоанализатора приведены на рис. 1 (для усилия подачи 30 Н).

1,5 % раств ор электролита 2 % раств ор электролита 2,5 % раств ор электролита 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Время, с а) 1,5 % расв ор электролита 2 % раств ор электролита 2,5 % раств ор электролита 0 20 40 60 80 Время, с б) 1,5 % раств ор электролита 2 % раств ор электролита 2,5 % раств ор электролита 0 20 40 60 80 Время, с в) Рис. 1. Временные зависимости установления показаний газоанализатора для токов, протекающих через электрод-инструмент 8, 10 и 15 А С, мг/мС, мг/мС, мг/мНа рис. 1а представлены временные зависимости, полученные при токе, протекающем через электрод-инструмент, равном 8 А, на рис. 1б - 10 А, на рис.

1в - 15 А.

Исследования зависимостей концентрации С оксида углерода от параметров управления были проведены на специально разработанной экспериментальной установке, на которой моделировался процесс электрохимического маркирования. Принципиальная схема экспериментальной установки представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки Установка включает в себя:

Х станок для электрохимического маркирования ЭХМ-3, включающий в себя источник питания с изменяемым током через электрод-инструмент, электрод-инструмент (катод), узел подачи электрода-инструмента;

рабочий стол (анод);

Х медную ванну, наполненную электролитом;

Х измеритель тока, протекающего через электрод-инструмент;

Х динамометр для измерения усилия подачи электрода-инструмента;

Х газоанализатор.

В качестве примера на рис. 3 представлены результаты экспериментальных исследований зависимости концентрации СО в воздухе рабочей зоны от усилия подачи электрода-инструмента для тока 10 А.

1,5 % раствор электролита 2 % раствор электролита 2,5 % раствор электролита 0 10 20 30 40 50 Усилие, Н Рис. 3. Зависимость концентрации СО от усилия подачи электрода-инструмента На рис. 4 приведена зависимость концентрации оксида углерода от тока, протекающего через электрод-инструмент (для усилия подачи 30Н).