На правах рукописи

Мельцер Анастасия Борисовна АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕМ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА НА ПРИМЕРЕ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОГО ПРОШИВАНИЯ ОТВЕРСТИЙ 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 Веселов О.В.

кандидат технических наук Иванов Г.Н.

Ведущее предприятие ОАО Станкоагрегат

Защита состоится л13 ноября 2007 г. в 13 часов 30 минут на заседании диссертационного совета К 212.142.01 при ГОУ ВПО Московском государственном технологическом университете Станкин по адресу:

127994, 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 ГОУ ВПО МГТУ Станкин.

Автореферат разослан л10 октября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук И.М. Тарарин 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы В современном машиностроении основной акцент падает на повышение мощностей и производительности технологических процессов.

Это непременно влечет за собой увеличение вредного воздействия на окружающую среду и, соответственно, на здоровье человека. В этой связи в современном машиностроении одним из главных критериев при разработке оборудования становится экологическое качество техпроцесса. Во многих случаях технологические процессы реализуются посредством электрофизических методов обработки и, в частности, электроэрозионных методов. Как и любой технологический процесс, электрофизическая обработка является источником повышенной негативной нагрузки на окружающую среду и человека.

Широко применяемые пассивные методы защиты окружающей среды и человека не удовлетворяют критериям комплексного техникоэкологического подхода к современному машиностроению. Поэтому приоритетным направлением является разработка и внедрение в производство методов, обеспечивающих уменьшение загрязнений средствами автоматизации. В этой связи существует актуальная задача повышения качества технологических процессов и производств при электроэрозионной обработке посредством автоматизации.

Целью работы является обеспечения экологических показателей качества автоматизированных технологических процессов электрофизической обработки посредством автоматизации управления параметрами технологического оборудования на примере электроэрозионного прошивания отверстий.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи.

1. Исследовать зависимость выделения вредных веществ при электроэрозионном прошивании отверстий от скорости подачи электродаинструмента.

2. Разработать методику автоматизации обеспечения экологического качества на основе традиционных для привода подачи управляемых параметров.

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

Научная новизна работы заключается:

в установлении зависимостей характеристик выделения вредных веществ при электроэрозионном прошивании отверстий от управляемых параметров технологического процесса;

в адаптации системы управления к задачам обеспечения экологических параметров в технологических процессов при электроэрозионном прошивании отверстий;

в разработке системы автоматического управления процессом электроэрозионного прошивания отверстий с учетом экологического фактора.

Практическая ценность работы заключается в повышении качества технологических процессов, технического уровня оборудования на основе улучшения экологических показателей и показателей безопасности посредством автоматического управления этими показателями, что влечет за собой увеличение конкурентоспособности оборудования.

Вместе с тем, большое практическое значение имеет и разработка методики установление количественных зависимостей экологических показателей от режимов работы при электроэрозионном прошивании.

построения автоматизированной системы управления экологическими показателями качества процесса электроэрозионного прошивания отверстий.

Реализация результатов работы.

Основные положения работы были использованы при выполнении научно-исследовательской 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 сентябрь 2004 г., 2007 г.

2. Заседаниях кафедры Инженерная экология и безопасность жизнедеятельности ГОУ ВПО МГТУ Станкин Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, изложена на 94 страницах машинописного текста, содержит 25 рисунков, 13 таблиц, список литературы включает в себя наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика работы и обосновывается ее актуальность.

В первой главе рассмотрены сущность, назначение электроэрозионных методов обработки материалов, виды электроэрозионной обработки и ее особенности. Рассмотрены методы реализации процессов электроэрозионного прошивания отверстий, применяемые при этом электролиты, электроды-инструменты, оборудование и технологии. Так же проанализированы факторы, воздействующие на окружающую среду и человека при электроэрозионном прошивании отверстий. Представлены существующие методы и средства обеспечения экологической безопасности и безопасности человека при электроэрозионной 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. Харизоменова, Л.М. Червякова, Л.Э. Шварцбурга, и С.А. Шептунова и др.; ученых и специалистов в области электрофизических методов обработки, в первую очередь, Л.Я.

Попилова, Е. М. Левинсон, Зубарев М. Ю., и др., направленные на повышение уровня технологического оборудования и качества технологических процессов при электрохимической обработке.

Анализ этих работ показал, что процесс электроэрозионной обработки негативного влияет на качество окружающей среды и безопасность человека, а также позволил выявить характерные загрязнения окружающей среды и опасности для человека.

Вместе с тем, были выделены параметры технологических процессов электроэрозионного прошивания отверстий, 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.

Вторая глава посвящена методике экспериментальных исследований зависимости выделения вредных веществ при электроэрозионном прошивании отверстий от управляемых параметров технологического процесса.

В процессе электроэрозионного прошивания отверстий в воздух рабочей зоны выделяется множество вредных веществ, концентрации некоторых из них часто превышают ПДК. Экспериментальные исследования зависимости выделений вредных веществ от характеристик технологического процесса электроэрозионного прошивания отверстий осуществлялись на специально разработанной экспериментальной установке, блок схема которой представлена на рис.Узел подачи электродаинструмента Источник Регулятор Электродпитания подачи инструмент Рабочая зона СО С6Н4(СН3)SOРис.1. Блок схема экспериментальной установки, для исследования зависимости выделений вредных веществ от характеристик технологического процесса электроэрозионного прошивания отверстий.

Установка включает в себя станок электроэрозионный прошивочный МО2К, включающий в себя источник питания, регулятор подачи электродаинструмента, узел подачи электрода-инструмента, электрод-инструмент, рабочий стол, газоанализаторы.

Исследования проводились с использованием медного электродаинструмента, а в качестве электролита использовался очищенный керосин. В ходе процесса электроэрозионного прошивания отверстий были выявлены вещества, выделяющиеся в воздух рабочей зоны, в частности, диоксид азота NO2, диоксид серы SO2, оксид углерода СО, ксилол С6Н4(СН3)2. Так же в ходе экспериментальных исследований было установлено что концентрации всех этих вещества, кроме диоксида азота NO2, превышают предельно допустимые в несколько раз.

Помимо этого, в ходе исследований удалось установить, что параметрами технологического процесса, наиболее значимо влияющими на интенсивность выделения загрязняющих веществ в воздух рабочей зоны, являются сила тока и скорость подачи электрода-инструмента. Это влияние обусловлено тем, что при увеличении скорости подачи электродаинструмента увеличивается площадь контакта пары электрод-интструмент (катод) - деталь (анод), это характеризуется увеличением частоты возникновения импульсных разрядов в зоне обработки, что приводит к увеличению выделения вредных веществ в воздух рабочей зоны.

Для измерения концентрации вредных веществ - продуктов электроэрозионного пришивания отверстий, использовался газоанализатор КАСКАД-Н 511.2, имеющий относительную погрешность 20 %. - 25%. И газоанализатор ГАНК -4 с относительной погрешностью 20%.

Для измерения силы тока использовался клещи токовые многофункциональные АТК-Для выявления переходной характеристики газоанализаторов были исследованы зависимости показаний приборов от времени при фиксированной скорости подачи электрода-инструмента.

Временные зависимости установления показаний газоанализаторов приведены на рис. 2 (для скорости подачи 2,6 *10-6 см/сек., силы тока 0,7 А).

ксилол ПДК ксилол 0 90 180 270 360 450 540 630 720 810 900 время, сек а) SOПДКSO0 90 180 270 360 450 540 630 720 810 900 время, сек б) С мг/мС мг/мСО ПДКCO 0 90 180 270 360 450 540 630 720 810 900 время, сек в) Рис.2. временные зависимости установления показаний газоанализаторов. 2а - ксилол, 2б - диоксид серы, 2в - оксид углерода.

Зависимости концентраций выделяющихся вредных веществ в воздух рабочей зоны при электроэрозионном прошивании отверстий от скорости подачи электрода-инструмента представлены на рис.3.

CO 30 сек 270 сек 510 сек 750 сек 2,15E-06 2,2E-06 2,25E-06 2,3E-06 2,35E-06 2,4E-06 2,45E-06 2,5E-06 2,55E-06 2,6E-06 2,65E-V см/сек а) С мг/мC мг/мSO30 сек 270 сек 510 сек 750 сек 2,15E- 2,2E-06 2,25E- 2,3E-06 2,35E- 2,4E-06 2,45E- 2,5E-06 2,55E- 2,6E-06 2,65E06 06 06 06 06 V см/сек б) Ксилол 30 сек 270 сек 510 сек 750 сек 2,2E-06 2,2E-06 2,3E-06 2,3E-06 2,4E-06 2,4E-06 2,5E-06 2,5E-06 2,6E-06 2,6E-06 2,7E-V см/сек в) Рис.3. зависимости концентраций выделяемых вредных веществ при электроэрозионном прошивании от скорости подачи электродаинструмента. 3а - зависимость концентрации выделяемого угарного газа от скорости подачи; 3б - зависимость концентрации выделяемого диоксида серы от скорости подачи; 3в - зависимость концентрации выделяемого ксилола от скорости подачи.

C мг/мC мг/мТретья глава посвящена анализу результатов экспериментальных исследований выделения вредных веществ в воздух рабочей зоны при электроэрозионном прошивании отверстий и возможности минимизации выделения этих веществ посредством автоматического управления скоростью подачи электрода-инструмента.

Достоверность полученных результатов подтверждена статистическим анализом результатов экспериментальных исследований. Статистическая обработка результатов исследования показала, что погрешность измерений при исследованиях не превышала 10%, что является приемлемым с учетом того, что погрешность измерительных приборов составляет 20 - 25%.

В работе проведен линейный регрессионный анализ эмпирических зависимостей с использованием метода наименьших квадратов. Так, например, на основе регрессионного анализа результатов экспериментальных исследований зависимости выделения оксида углерода, диоксида серы и ксилола от скорости подачи электрода-инструмента были получены следующие аналитические зависимости (на 510 сек измерения):

Х для оксида углерода C= 2*107X + 0,6, Х для диоксида серы C= 2*107X + 33,4, Х для ксилола C= 3*108X + 536,4, где X - скорость подачи электрода-инструмента.

На рис. 4 показаны графические интерпретации этих аналитических зависимостей.

CO 30 сек 50 270 сек 510 сек 750 сек Линейный (сек) Линейный (сек) Линейный (сек) Линейный (сек) 2,2E- 2,2E- 2,3E- 2,3E- 2,4E- 2,4E- 2,5E- 2,5E- 2,6E- 2,6E- 2,7E06 06 06 06 06 06 06 06 06 06 V см/сек а) SO30 сек 270 сек 510 сек 750 сек Линейный (750 сек) Линейный (510 сек) Линейный (270 сек) Линейный (30 сек) 0,0000021 0,0000022 0,0000023 0,0000024 0,0000025 0,0000026 0,V см/сек б) C мг/мC мг/мКсилол 30 сек 270 сек 500 510 сек 750 сек Линейный (750 сек) Линейный (510 сек) Линейный (270 сек) Линейный (30 сек) 0,000002 0,000002 0,000002 0,000002 0,000002 0,000002 0,1 2 3 4 5 6 V см/сек в) Рис.4. Графическая интерпретация аналитических зависимостей.