177
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уфимский государственный авиационный технический университет» На правах рукописи МУКАЕВА Вета Робертовна УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОГО ПОЛИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ КОНТРОЛЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ПО ИМПЕДАНСНЫМ СПЕКТРАМ 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в промышленности) Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Парфенов Е.В. Уфа – 2014

Mukaeva diss

Embed Size (px)

DESCRIPTION

 

Citation preview

Page 1: Mukaeva diss

1

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Уфимский государственный авиационный технический университет»

На правах рукописи

МУКАЕВА Вета Робертовна

УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ

ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОГО ПОЛИРОВАНИЯ

НА ОСНОВЕ КОНТРОЛЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ

ПО ИМПЕДАНСНЫМ СПЕКТРАМ

05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими

процессами и производствами

(в промышленности)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук,

доцент Парфенов Е.В.

Уфа – 2014

Page 2: Mukaeva diss

2

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................................... 4

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ИЗВЕСТНЫХ

ПОДХОДОВ К ИССЛЕДОВАНИЯМ В ОБЛАСТИ АВТОМАТИЗАЦИИ

ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОГО ПОЛИРОВАНИЯ .......... 11

1.1 Актуальность автоматизации технологического процесса

электролитно-плазменного полирования ........................................................... 11

1.2 Анализ систем управления процессами электролитно-плазменной

обработки ................................................................................................................... 30

1.3 Анализ автоматизированных установок для процессов ЭПП с

контролем состояния объекта управления ......................................................... 38

1.4 Формулирование цели и задач исследования.......................................... 46

Выводы по главе 1. .................................................................................................. 50

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОГО

ПОЛИРОВАНИЯ КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ ............................................ 51

2.1 Экспериментальное исследование выходных характеристик процесса

электролитно-плазменного полирования ........................................................... 51

2.2 Построение модели процесса электролитно-плазменного полирования

как объекта управления ......................................................................................... 66

2.3 Исследование импедансных спектров процесса электролитно-

плазменного полирования ...................................................................................... 79

Выводы по главе 2 ................................................................................................... 91

3. УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОГО

ПОЛИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ КОНТРОЛЯ ШЕРОХОВАТОСТИ

ПОВЕРХНОСТИ ПО ИМПЕДАНСНЫМ СПЕКТРАМ ..................................... 93

3.1 Разработка метода оптимального управления технологическим

процессом электролитно-плазменного полирования ....................................... 93

3.2 Расчет оптимальной траектории управления напряжением в ходе

процесса электролитно-плазменного полирования .......................................... 98

Page 3: Mukaeva diss

3

3.3 Контроль шероховатости поверхности в ходе процесса электролитно-

плазменного полирования .................................................................................... 110

Выводы по главе 3 ................................................................................................. 123

4. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОПТИМАЛЬНОГО

УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ЭЛЕКТРОЛИТНО-

ПЛАЗМЕННОГО ПОЛИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ КОНТРОЛЯ

ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ПО ИМПЕДАНСНЫМ СПЕКТРАМ

124

4.1 Аппаратная часть автоматизированной системы оптимального

управления ТП ЭПП .............................................................................................. 124

4.2 Программная часть автоматизированной системы оптимального

управления ТП ЭПП .............................................................................................. 133

4.3 Опытный образец автоматизированной системы оптимального

управления ТП ЭПП и оценка его эффективности ......................................... 143

Выводы по главе 4 ................................................................................................. 153

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 154

ЛИТЕРАТУРА ........................................................................................................... 156

ПРИЛОЖЕНИЯ……………………………………………………………………175

Page 4: Mukaeva diss

4

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

Метод электролитно-плазменного полирования (ЭПП) широко применяется

при подготовке поверхности ответственных деталей энергомашиностроения из

нержавеющих сталей перед нанесением защитных вакуумно-плазменных

покрытий. Технологический процесс ЭПП отвечает современным экологическим

требованиям и позволяет обрабатывать поверхности металлов с высокой

производительностью.

Перед машиностроением остро стоит проблема повышения экологичности и

производительности технологических процессов, позволяющих качественно

модифицировать поверхности металлов. Применение технологического процесса

ЭПП позволяет решать эту проблему. Для обеспечения соответствия результатов

обработки современным требованиям качества необходима разработка

автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП)

ЭПП с контуром обратной связи для контроля состояния поверхностного слоя,

обеспечивающей получение заданной шероховатости поверхности. Процесс ЭПП

характеризуется существенной сложностью и нелинейностью, так как на границе

раздела «электролит – обрабатываемая поверхность» образуется парогазовая

оболочка, в которой протекают электроразрядные, электрохимические,

плазмохимические, металлургические и гидродинамические процессы,

интенсивно модифицирующие поверхностный слой. Недостаточно разработана

математическая модель процесса как объекта управления и не формализованы

зависимости, по которым можно контролировать состояние поверхности в ходе

ЭПП для обеспечения точности и воспроизводимости обработки, а также энерго-

и ресурсосбережения.

Одним из путей получения информации является исследование

импедансных спектров процесса ЭПП методом гармонического анализа в режиме

малого сигнала. Параметры частотных откликов парогазовой оболочки могут

Page 5: Mukaeva diss

5

быть информативными показателями процессов, протекающих в прианодном

слое, и отражать свойства поверхности.

Степень разработанности темы исследования

Для решения поставленных в диссертационной работе задач проведен

анализ работ ученых, внесших значительный вклад в изучение объекта

управления. Известны разработки Н. А. Амирхановой, В. В. Баковца,

П. Н. Белкина, А.М. Борисова, С. В. Гнеденкова, А. Л. Ерохина, И. С. Куликова,

А. И. Мамаева, А. Маттьюза, П. Скелдона, А. М. Смыслова, Л. А. Снежко,

И. В. Суминова, Л. А. Ушомирской, А. В. Эпельфельда и др., посвященные

исследованиям электролитно-плазменных процессов. Методология построения

автоматизированных систем управления сложными технологическими

процессами, такими как, электролитно-плазменная, электроэрозионная,

электрохимическая размерная обработка и других с использованием диагностики

неконтролируемых переменных объекта управления рассматриваются в работах

В. В. Атрощенко, В. Н. Борикова, С. А. Горбаткова, А. Н. Зайцева,

В. Ц. Зориктуева, В. А. Мамаевой, А. Г. Лютова, В. Б. Людина, Е. В. Парфенова,

М. Ю. Сарилова, и др.

Цель работы

Снижение энергоемкости и повышение качества обработки для процесса

электролитно-плазменного полирования за счет разработки метода оптимального

управления на основе контроля шероховатости поверхности и толщины съема

поверхностного слоя по импедансным спектрам.

Задачи исследования

1. Экспериментально исследовать шероховатость поверхности, толщину

съема поверхностного слоя и импедансные спектры в ходе процесса

электролитно-плазменного полирования, как характеристики объекта управления.

2. Разработать модель процесса электролитно-плазменного

полирования как объекта управления.

Page 6: Mukaeva diss

6

3. Разработать метод оптимального управления процессом ЭПП на

основе контроля шероховатости поверхности и толщины съема поверхностного

слоя по импедансным спектрам.

4. Разработать и внедрить аппаратно-программный комплекс АСУ ТП,

реализующий метод оптимального управления процессом ЭПП на основе

контроля шероховатости поверхности и толщины съема поверхностного слоя по

импедансным спектрам, оценить эффективность предложенного метода.

Научная новизна работы

1. Новизна результатов экспериментальных исследований объекта

управления заключается в установлении взаимосвязей, отражающих

закономерности изменения свойств поверхностного слоя и импедансных спектров

процесса ЭПП в зависимости от технологических параметров (напряжения на

электролизере, температуры электролита, длительности обработки и начальной

шероховатости), отличающихся тем, что технологические параметры

рассмотрены как управляющие воздействия и начальные условия объекта

управления, что позволяет формализовать модель объекта управления и

обосновать метод управления процессом ЭПП.

2. Новизна разработанной модели объекта управления заключается в

установлении структуры из типовых динамических звеньев с переменными

параметрами (апериодического звена первого порядка, интегрирующего и

безынерционного звеньев), отличающейся тем, что постоянная времени и

коэффициенты передачи звеньев рассчитываются с помощью радиально-базисной

нейронной сети по начальным условиям и управляющим воздействиям, что

позволяет поставить и решить задачу оптимального управления.

3. Новизна метода оптимального управления ТП ЭПП заключается в

наличии алгоритма расчета оптимальной траектории управления напряжением по

критерию энергопотребления при ограничении толщины съема поверхностного

слоя и контура обратной связи, отличающегося контролем шероховатости

поверхности и толщины съема поверхностного слоя по импедансным спектрам,

Page 7: Mukaeva diss

7

что позволяет с минимальным энергопотреблением достигать требуемую

шероховатость поверхности и своевременно останавливать процесс ЭПП.

4. Новизна аппаратно-программного комплекса АСУ ТП заключается в

разработке опытных образцов оборудования и прототипов программного

обеспечения для управления напряжением источника и проведения импедансной

спектроскопии в условиях производства, отличающихся контуром контроля

свойств поверхности и программой расчета оптимальной траектории

управляющего напряжения, что позволяет реализовать метод оптимального

управления процессом ЭПП на основе контроля шероховатости поверхности и

толщины съема поверхностного слоя по импедансным спектрам.

Теоретическая и практическая значимость работы

1. Установленные взаимосвязи, отражающие закономерности изменения

свойств поверхностного слоя и импедансных спектров в зависимости от

технологических параметров процесса ЭПП позволяют формализовать модели

процесса как объекта управления, и разрабатывать способы контроля

шероховатости в ходе электролитно-плазменного полирования.

2. Модель процесса электролитно-плазменного полирования как объекта

управления в виде структуры из типовых динамических звеньев с переменными

параметрами позволяет рассчитывать траектории управления напряжением

источника и температурой электролита и разрабатывать алгоритмы и системы

оптимального управления процессом ЭПП.

3. Метод управления ТП ЭПП на основе контроля шероховатости

поверхности и толщины съема поверхностного слоя по импедансным спектрам

позволяет рассчитывать оптимальную траекторию управляющего напряжения на

электролизере для минимизации энергопотребления и отклонения геометрических

размеров деталей и определять момент окончания процесса при достижении

требуемых свойств поверхности (патент РФ № 2475700, свидетельство о

регистрации программы для ЭВМ № 2012616406).

Page 8: Mukaeva diss

8

4. Опытный образец аппаратно-программного комплекса АСУ ТП ЭПП

позволяет проводить импедансную спектроскопию процесса в режиме малого

сигнала, управлять напряжением в ходе процесса ЭПП по оптимальной

траектории, обеспечивающей снижение энергоемкости процесса на 6…11 % и

уменьшение толщины съема поверхностного слоя на 20…30 % и своевременно

останавливать процесс ЭПП при достижении целевой шероховатости поверхности

(свидетельства о регистрации программ для ЭВМ № 2010615514, № 2013618088).

Методология и методы исследования

Для решения поставленных задач использовались методы системного

анализа, планирования эксперимента, аппроксимации кривых, нейросетевого

моделирования, линейного программирования, теории автоматического

управления, корреляционного и статистического анализа, гармонического

анализа, импедансной спектроскопии. При экспериментальном исследовании

объекта управления использовался профилографический метод измерения

шероховатости поверхности, гравиметрический метод определения толщины

съема поверхностного слоя, а также оптическая микроскопия топографии

поверхности. Обработка экспериментальных данных и исследование

нейросетевых моделей проводились на основе оригинальных программ для

персональных ЭВМ, составленных с использованием пакетов MATLAB и

LabVIEW.

Положения, выносимые на защиту

1. Результаты экспериментального исследования шероховатости

поверхности, толщины съема поверхностного слоя и импедансных спектров в

ходе процесса электролитно-плазменного полирования, как характеристик

объекта управления (соответствуют п. 3 паспорта специальности).

2. Модель процесса электролитно-плазменного полирования как объекта

управления в виде структуры из типовых динамических звеньев с переменными

параметрами (соответствует п. 4 и п. 15 паспорта специальности).

3. Метод оптимального управления процессом ЭПП на основе контроля

шероховатости поверхности и толщины съема поверхностного слоя по

Page 9: Mukaeva diss

9

импедансным спектрам и регулирования управляющего напряжения по

оптимальной траектории, рассчитанной методом линейного программирования

(соответствует п. 3 и п. 15 паспорта специальности).

4. Результаты внедрения аппаратно-программного комплекса АСУ ТП,

реализующего метод управления процессом ЭПП на основе контроля

шероховатости поверхности, толщины съема поверхностного слоя по

импедансным спектрам и регулирования управляющего напряжения по

оптимальной траектории (соответствуют п. 10 и п. 18 паспорта

специальности).

Степень достоверности и апробация результатов

Обоснованность полученных в диссертационной работе закономерностей и

характеристик и достоверность результатов исследований основана на

использовании общепринятых методов и методик планирования и проведения

экспериментальных исследований, применением сертифицированных средств

измерений, современных методов и эффективного программного обеспечения для

анализа экспериментальных данных. Полученные результаты согласованы с

известными теоретическими положениями. Корректно проведена статистическая

обработка данных эксперимента. Достоверность разработанных способов

контроля состояния поверхности подтверждена экспериментально.

Основные теоретические и практические результаты диссертационной

работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

Международная молодежная научная конференция «Гагаринские чтения»

(Москва, 2010−2013), Международная научная конференция «Туполевские

чтения» (Казань, 2008, 2010), Всероссийская молодежная научная конференция

«Мавлютовские чтения» (Уфа, 2007−2013), Всероссийская зимняя школа-семинар

аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (Уфа,

2012−2014), Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука.

Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2009), ХХ Российская молодежная

научная конференция, посв. 90-летию УрГУ им. А. М. Горького (Екатеринбург,

Page 10: Mukaeva diss

10

2010), конференция «Научно-исследовательские проблемы в области энергетики

и энергосбережения» (Уфа, 2010).

Работа выполнена в рамках следующих программ научных исследований:

договоров о создании (передаче) научно-технической продукции

№ АП-ТО-14-12-ХГ-490/48 от 09.06.2012 г., № АП-ТО-15-12-ХГ-929/48 от

29.06.2012 г. между ОАО «КумАПП» и ФГБОУ ВПО «УГАТУ»; гранта

Лондонского Королевского общества на осуществление совместных научных

исследований с Университетом Шеффилда № IE111315 (2012−2013).

Результаты работы используются в производстве на ОАО «Кумертауское

авиационное производственное предприятие» и в учебном процессе в ФГБОУ

ВПО «УГАТУ».

Публикации

Основные научные и практические результаты диссертации опубликованы

в 20 печатных работах, в том числе в 3 статьях в рецензируемых научных

журналах из списка ВАК, 1 статье в высокорейтинговом рецензируемом журнале,

издаваемом за рубежом, 1 патенте РФ и 3 свидетельствах о регистрации

программы для ЭВМ.

Личный вклад соискателя

Соискатель проанализировал литературные данные по теме исследования,

участвовал в проведении экспериментов, выполнил обработку и анализ

экспериментальных данных, разработал модель объекта управления, структуру

автоматизированной системы управления и метод управления, участвовал в

обсуждении полученных результатов, разработке аппаратного и программного

обеспечения, в написании научных статей, материалов конференций, оформлении

патента.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения,

четырех глав, заключения и приложений, включает 177 страниц текста, содержит

69 иллюстраций, 16 таблиц и библиографический список из 158 наименований.

Page 11: Mukaeva diss

11

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И

ИЗВЕСТНЫХ ПОДХОДОВ К ИССЛЕДОВАНИЯМ В ОБЛАСТИ

АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОЛИТНО-

ПЛАЗМЕННОГО ПОЛИРОВАНИЯ

1.1 Актуальность автоматизации технологического процесса

электролитно-плазменного полирования

Технологии, основанные на процессах электролитно-плазменной обработки

(ЭПО) все шире применяются в различных отраслях промышленности, в том

числе в автомобилестроении, авиастроении, энергомашиностроении. Метод ЭПО

является экологически чистым и достаточно производительным, позволяет

обрабатывать сложные по геометрии поверхности при сравнительно простом

оборудовании [1]. Так, процесс плазменно-электролитического (или

микродугового) оксидирования широко применяется в машиностроении для

создания износо- и коррозионно- стойких покрытий на сплавах алюминия, титана

и магния [2]. Технологический процесс электролитно-плазменного полирования

используется, например, при подготовке поверхности ответственных деталей

энергомашиностроения из нержавеющих сталей перед нанесением защитных

вакуумно-плазменных покрытий [3]. Также предложено применение процесса

ЭПО для удаления дефектных защитных покрытий при ремонте лопаток

газотурбинных двигателей, в качестве альтернативы экологически опасному

химическому методу [4].

Широкое внедрение электролитно-плазменных технологических процессов

неразрывно связано с их автоматизацией, обеспечивающей программное

управление режимами обработки, стабилизацию технологических параметров,

диагностику состояния объекта. Свойства поверхности в ходе обработки являются

недоступными для прямых измерений, поэтому для реализации управления

процессом ЭПП требуется разработать способы их косвенного измерения.

Page 12: Mukaeva diss

12

1.1.1 Особенности процессов электролитно-плазменной обработки

Метод электролитно-плазменной обработки является разновидностью

электрохимической обработки, но проводится при высоких напряжениях в

диапазоне 100 - 600 В. Обрабатываемая деталь при ЭПО служит анодом, а его

площадь должна быть минимум в 3 - 4 раза меньше площади катода [5]. В таких

условиях вокруг обрабатываемой детали начинается интенсивное газовыделение

за счет электролиза и закипания раствора, приводящее к формированию тонкой

(от 50–100 мкм до 1-2 мм) парогазовой оболочки (ПГО) с микроразрядами.

Влияния соотношения площадей электродов на характеристики плазменно-

электролитного разряда рассмотрены в работе [6].

ПГО состоит из паров воды, активированных ОН-, Н+ и ионов, входящих в

состав электролита. На ПГО происходит основное падение напряжения в цепи,

поэтому ее свойства определяют нелинейные участки вольт-амперной

характеристики процесса ЭПО; напряженность электрического поля в ПГО

достигает 104–10

5 В/см [7]. При температуре около 100

оС такая напряженность

способна вызвать ионизацию паров, а также эмиссию ионов и электронов,

необходимую для поддержания стационарного электрического разряда. Таким

образом, образуется так называемая электролитная плазма.

Микроразряды, протекающие через ПГО, активно воздействуют на

поверхность. В ПГО протекает сложный комплекс физико-химических процессов:

пленочное кипение в электрическом поле; теплоперенос; ионизация паров;

движение электрических зарядов. Это позволяет осуществлять различные виды

обработки, такие как нагрев [8, 9, 10, 11, 12] и закалка в электролите [13, 14, 15],

химико-термическая обработка (азотирование, цементация, и. т.д.) [16, 17, 18,19],

микроплазменное, микродуговое и анодно-искровое оксидирование [2, 20, 21,

22,23], очистка поверхности от загрязнений [24, 25], удаление дефектных

покрытий [26, 27, 28, 29] и полирование поверхности сталей и сплавов [30, 31, 32,

33]. С одной стороны, процессы ЭПО требуют большого технологического

напряжения, но с другой, за счет большой скорости обработки энергоемкость ряда

Page 13: Mukaeva diss

13

процессов ЭПО соизмерима с энергоемкостью процессов электрохимической

обработки [34].

1.1.2 Электролитно-плазменное полирование, как разновидность

электролитно-плазменной обработки

Процесс электролитно-плазменного полирования применяется для

обработки: нержавеющих сталей типа 20Х13 [35]; низкоуглеродистых сталей,

например, стали 30ХГСА, используемой на ОАО «Завод ―Двигатель‖» для

изготовления лопаток ГТД [36]; жаропрочных сплавов, таких как ЭП-718 [31];

титановых сплавов ВТ6, ВТ14, ВТ3-1, ВТ22 [37]. Основной объем

технологических установок выпускается фирмой «Стекловак» (Белоруссия) [35].

ЭПП позволяет достигнуть шероховатости поверхности Ra = 0,1 - 0,2 мкм

для стали 30ХГСА [36]; Ra = 0,10 - 0,15 мкм для сплава ЭП-718 [31]; Ra = 0,04 -

0,06 мкм для сплавов ВТ3, ВТ3-1, ВТ6 [37].

ЭПП достаточно просто можно проводить для металлов невентильного

типа, таких как железо, хром, никель, вольфрам, медь и др., которые либо не

образуют полупроводниковых оксидов n-типа, либо процесс выхода ионов

металла в раствор для них превалирует над образованием оксидов, в отличие от

вентильных металлов [2]. Обработка поверхности производится в разбавленных

водных растворах аммонийных солей. Перспективны разработки способов

электролитно-плазменного полирования для авиационных конструкционных

материалов, таких как никелевые и титановые сплавы [31, 37, 38, 39]. Выявлено

значительное повышение прочности сцепления стальных материалов с

гальваническими и вакуумно-плазменными покрытиями благодаря

предварительному электролитно-плазменному полированию подложки [40, 41].

С помощью ЭПП можно получить зеркальную поверхность с

шероховатостью Ra вплоть до 40 нм, однако не лучше, чем на 2-3 класса по

сравнению с шероховатостью до полировки [42].

Разновидность проводимой обработки (удаление или нанесение покрытия,

полирование, очистка, термическая обработка поверхности) определяется

Page 14: Mukaeva diss

14

соотношением технологических параметров обработки: температурой

электролита, приложенным напряжением, составом электролита и материалом

обрабатываемой детали. Полирование металлов происходит в области

напряжений 200-350 В и плотностей тока 0,2-0,5 А/см2, длительность полировки

2-5 минут. В ходе ЭПП вблизи микровыступов на обрабатываемой поверхности

изделия напряженность электрического поля возрастает до 105 В/см, и на этих

участках поверхности возникают импульсные искровые разряды, во время

которых выделяется значительная энергия, оплавляющая вершины выступов [43].

В настоящее время существуют различные точки зрения на механизм

сглаживания микронеровностей при ЭПП. Известно, что в этом механизме

задействуются процессы, различные по своей природе. Однако для того, чтобы

определить, какие процессы играют ключевую роль и каково их взаимодействие,

необходимо проведение дальнейших исследований.

Основные процессы ЭПО, способствующие полированию, рассмотрены в

работе [44]:

- наличие электролитных мостиков в парогазовой оболочке (ПГО) приводит

к выравниванию микронеровностей по электрохимическому механизму;

- образование химически активных частиц и протекание плазмохимических

реакций;

- разрушение микровыступов по электроэрозионному механизму в

результате прохождения маломощных искровых разрядов между металлической

поверхностью обрабатываемой детали и электролитным катодом.

1.1.3 Место проводимых исследований среди других работ в области

изучения процесса электролитно-плазменного полирования

В области изучения процессов электролитно-плазменного полирования

достигнуты значительные результаты по технологии получения поверхности

высокого качества: подобраны экологически допустимые и эффективные

электролиты и установлены их концентрации [43, 45], выявлены диапазоны

рабочих напряжений на электродах и температуры электролитов [46, 47],

Page 15: Mukaeva diss

15

запатентованы и выпускаются установки различных мощностей для проведения

ЭПП [48, 49, 50]. Несмотря на многие преимущества процесса ЭПП по сравнению

с традиционно применяемыми в промышленности способами полирования, для

широкого внедрения в производство необходимо повышать надежность систем

ЭПП, например, за счет снижения доли брака, улучшать экономические

показатели, например за счет уменьшения энергоемкости процесса. Подобные

результаты могут быть достигнуты при создании автоматизированных систем

управления технологическим процессом ЭПП.

Для создания АСУ ТП ЭПП существует значительная теоретико-

эмпирическая основа, сформированная авторами различных научных центров

НАН Беларусии, БНТУ, СПбГТУ, УГАТУ и др., включающая информацию о

микроструктуре и фазовом составе поверхностного слоя в ходе обработки [58],

профилограммы поверхности на разных этапах обработки [51]; разработанные

модели процессов ЭПП, такие как модели модификации поверхностного слоя

[42], распределения тепловой энергии [36] и др.; способы идентификации

шероховатости поверхности [52, 53]. Исследования указывают на сложность и

нелинейность процесса ЭПП. Мало работ посвящено автоматизированному

управлению ТП ЭПП, поэтому для разработки такой системы необходимо

изучить подходы к управлению родственными электрохимическими процессами,

такими как микродуговое оксидирование (МДО) [2], электроэрозионная

обработка [54], электрохимическая размерная обработка (ЭХРО) [55] и др.

Анализ литературных источников показывает перспективность интеллектуальных

методов управления сложными нелинейными системами [56, 57]. В таблице 1.1

показано место проводимых исследований среди других работ в области

изучения, диагностики и управления процессами ЭПП и родственными

процессами.

Page 16: Mukaeva diss

16

Таблица 1.1 Место проводимых исследований среди других работ в области изучения, диагностики и управления процессами ЭПО и родственными процессами механической и физико-технической обработки

Город Научный

центр Ф.И.О. исследователей Направления исследований и достигнутые результаты Публикации

1 2 3 4 5

Изучение физико-химических и технологических особенностей процессов ЭПП

Минск НАН

Беларуси

Куликов И.С.,

Ващенко С.В. и др.

Разработаны теоретические основы процессов ЭПП,

выпускаются промышленные установки [43]

Минск БНТУ Синькевич Ю.В.,

Янковский И.Н. и др.

Исследованы фазовый состав и микроструктура поверхности

после ЭПП в различных электролитах, предложена физико-

химическая модель ЭПП, внедрены в производство

оборудование и технология ЭПП

[58], [78]

Тольятти ТГУ

Чиркунова Н.В.,

Воленко А.П.,

Бойченко О.В. и др.

Исследованы нано- и микроразмерные образования на

поверхности металлов при ЭПП. Разработаны режимы

сглаживания поверхности нержавеющих сталей

[7,42]

Сморгонь БНТУ Кособуцкий А.А. и др. Исследованы технологические процессы ЭПП, выпускаются

промышленные установки [59,60]

Санкт-

Петербург СПбГТУ

Ушомирская Л.А., Локтев Д.Е.,

Новиков В.И. и др.

Оптимизированы и внедрены в промышленность процессы

ЭПП стальных изделий

[36,45,

96,102]

Уфа УГАТУ

Амирханова Н.А.,

Смыслов А.М., Смыслова М.К.,

Мингажев А.Д., Быбин А.А. и

др.

Разработаны теоретические основы электролитно-плазменных

процессов полирования стальных и титановых изделий,

внедрены в промышленность процессы ЭПП деталей

энергомашин

[31,37,38,

52]

Диагностика и управление процессом ЭПП и родственными электрохимическими процессами

Москва МАТИ Людин В.Б., Суминов И.В.,

Эпельфельд А. В., Крит Б.Л.,

Борисов А.М. и др.

Разработаны системы управления и автоматизации

технологического оборудования для процесса микродугового

оксидирования

[2, 61]

Санкт-

Петербург

СПбГТУ Новиков В.И и др. Построена оптимизационная модель управляющих

параметров процесса ЭПП [102]

16

Page 17: Mukaeva diss

17

1 2 3 4 5

Киев Черненко В.И., Снежко Л.А.,

Папанова В.И. и др

Разработан подход к управлению состоянием поверхности в

ходе плазменного электролитического оксидирования за счет

регулирования частоты и скважности импульсов напряжения.

[62]

Комсомольск-

на-Амуре

КнАГТУ Сарилов М.Ю., Кабалдин Ю.Г Разработка адаптивной системы управления

электроэррозионным станком, построенная на основе

принципов искусственного интеллекта

[54, 63]

Уфа УГАТУ Атрощенко В.В., Ганцев Р.Х.

и др.

Разработаны автоматизированные системы управления

установками электрообработки с оперативным

регулированием оптимальной траектории изменения

параметров с целью повышения производительности

[64, 65]

Уфа УГАТУ Зайцев А.Н., Житников В.П.,

Амирханова Н.А.,Зарипов Р.А.,

Идрисов Т.Р., Габбасов Р.Ш. и

др.

Исследованы физико-химические процессы ЭХРО с помощью

математического, теоретико-эмпирического и

моделирования. Разработаны подходы оптимизации

параметров обработки для обеспечения наибольшей

производительности электрообработки импульсной ЭХРО.

Созданы и промышленно производятся станки для

импульсной прецизионной ЭХРО.

[55,66,

67, 68]

Уфа УГАТУ Горбатков С.А.,

Невьянцева Р.Р.,

Парфенов Е.В. и др.

Разработаны спектральные методы диагностики

ненаблюдаемых параметров процессов ЭПО, предложен

метод терминального управления ТП ЭПО

[47, 69,

70, 71,

72]

Уфа УГАТУ Мукаева В.Р. Предложен метод оптимального управления ТП ЭПП.

Исследованы импедансные спектры процесса ЭПП.

Разработаны способы косвенного измерения шероховатости в

ходе обработки.

[73]

17

Page 18: Mukaeva diss

18

1.1.4 Сравнение ЭПП с традиционными видами полирования

Авторы [74] проводили сравнение качества поверхности после ЭПП и

механического полирования (МП). Исследования показали значительное

преимущество ЭПП по сравнению с МП при равной чистоте поверхности после

обработки. Было обнаружено различие в топографии коррозионных повреждений

при обработке деталей этими методами. На поверхности стали, обработанной

методом МП, на фоне крупных очагов коррозии наблюдается значительное

количество мелких питтингов, возникших в местах дефектов, образовавшихся в

результате финишной обработки. Топография коррозии образцов после ЭПП

представляет собой небольшое число язв на фоне практически не поврежденной

мелкими питтингами пассивной поверхности. Таким образом, в случае

электролитно-плазменной обработки защитная оксидная пленка имеет гораздо

меньшее количество дефектов, которые в электролитных средах являются

очагами коррозионных разрушений.

Так же ЭПП позволяет проводить обработку деталей сложного профиля, где

затруднен доступ к поверхности для МП.

Основное преимущество ЭПП перед традиционной электрохимической

полировкой заключается в использовании экологически безопасных водных

растворов минеральных солей [42].

Рассчитано преимущество электролитно-плазменных методов обработки

металлов по сравнению с химическими с точки зрения экологической

безопасности производства на примере электролитно-плазменного удаления

покрытий. Показано, что экологическая эффективность электролитно-

плазменного метода на 20 % выше по сравнению с химическими методами [75].

Процесс химического полирования отличается малым сроком службы растворов и

их высокой стоимостью. Применяемые растворы, как правило, токсичны и

требуют специальных мер для защиты персонала и окружающей среды [43].

Page 19: Mukaeva diss

19

С точки зрения физико-химического состояния поверхности, согласно [76]

ЭПП снижает, по сравнению с механическим и электрохимическим

полированием, коэффициент трения на 14…17 % и повышает износостойкость

поверхности на 22 %. В работах [76, 77] приводятся данные о снижении

микротвердости поверхности после электролитно-плазменной обработки по

сравнению с исходной. Более подробное влияние ЭПП на микротвердость

поверхности показано в работе [78].

Показано, что производительность и экономическая эффективность

технологических операций ЭПП в 3-4 раза выше аналогичных, осуществляемых

механическим способом, и в 5-6 раз выше электрохимического способа обработки

на основе кислотных растворов [43].

1.1.5 Динамика свойств поверхности в ходе ЭПП

В таблице 1.2 показано влияние различных технологических параметров на

характеристики процесса ЭПП. Обзор публикаций показывает, что при

построении моделей процесса ЭПП необходимо учитывать такие технологические

параметры, как начальная шероховатость поверхности детали, время

полирования, напряжение, температура электролита, кривизна обрабатываемой

поверхности, концентрация электролита. Незаполненные ячейки в таблице

соответствуют характеристикам, которые в ходе обширного обзорного поиска не

были найдены в литературе. Одна из задач исследования заключается в

выявлении закономерностей, не представленных в обзорной таблице 1.2 и

факторов, влияющих на известные закономерности.

В пунктах 1.1.4.1, 1.1.4.2, 1.1.4.3 рассмотрены зависимости шероховатости,

убыли массы и плотности тока от различных технологических параметров.

Page 20: Mukaeva diss

20

Таблица 1.2

Изменение свойств поверхностного слоя и плотности тока в зависимости от

технологических параметров

Техно- Отклик

логический

параметр

Шероховатость Убыль массы, Плотность тока Ссылка

Начальная

шероховатость

Ra

Ra0

─ ─ [42]

Время

полирования

Ra

t

Δm

t

[79, 4,

51,

80, 47]

Температура

Ra

T

Δm/t

T

δ

T

[46, 81,

82,

80,43,

83]

Напряжение

Ra

U

Δm/t

U

δ

U

[47,45,

46,

83]

Кривизна

поверхности ─ ─

δ

[84]

Концентрация

Ra

n

Δm/t

n

─ [45,

87,43]

Page 21: Mukaeva diss

21

1.1.5.1 Динамика шероховатости поверхности

Как указывалось выше, известно, что c помощью ЭПП можно получить

зеркальную поверхность с шероховатостью Ra вплоть до 40 нм, однако не лучше,

чем на 2-3 класса по сравнению с шероховатостью до полировки [42].

Следовательно, значение предельно достижимой шероховатости возрастает с

увеличением значения начальной шероховатости поверхности.

Данные о том, что шероховатость стремится к некоторой величине,

приведены авторами [79] на примере ЭПП образцов из стали марки 12Х18Н10Т.

Основное снижение шероховатости происходило в первые несколько минут

обработки, а дальнейшая обработка привела к незначительному (до 10% от

общего снижения) ее изменению. Автор [78] выделяет три характерные зоны

снижения шероховатости Ra, Rp и Rv: зону интенсивного сглаживания

(0,5…1 мин), переходную зону (1 … 5 мин) и зону постоянной шероховатости

(5 … 20 мин). В работах [85, 86] подтверждается данное высказывание и

приводятся более подробные закономерности изменения микрогеометрии

поверхности и механизмы ее формирования.

Установлено, что высокого качества поверхности можно достичь только в

определенном диапазоне температур рабочего электролита. Это связано с тем, что

большое влияние на свойства поверхностного слоя оказывает ПГО. При

проведении ЭПП имеется определенная величина тепловой нагрузки на

обрабатываемую поверхность, обеспечивающая режим пузырькового кипения в

ПГО. Вследствие этого температурные условия в приэлектродной зоне и в

электролите играют существенную роль в процессе электролитно-плазменного

полирования металлов и сплавов. Также показано, что при уменьшении

температуры электролита ниже 70оС снижается качество полирования. Например,

на поверхности низкоуглеродистой стали образуются темные пятна и появляются

разводы. К тем же результатам приводит и увеличение температуры электролита

выше 90оС [46].

Page 22: Mukaeva diss

22

Важнейшим технологическим параметром, определяющим качество

полирования, является рабочее напряжение. Установлено, что для каждого

металла существует минимальное значение напряжения, ниже которого качество

полирования начинает заметно ухудшаться. Определены минимальные пороговые

значения напряжений для полирования различных металлов, которые составляют:

для нержавеющих сталей — 220 В; меди и медных сплавов — 260 В;

алюминиевых сплавов — 270–290 В [43]. В работе [47] показан график

зависимости Ra от напряжения при ЭПО покрытия из нитрида титана, на котором

можно выделить участок 260 … 330 В с наилучшим качеством поверхности.

Графики, представленные в статье [36], в которой рассмотрено ЭПП стали

30ХГСА, показывают, что шероховатость Ra уменьшается как с ростом величины

рабочего напряжения от 240 до 306 В, так и с увеличением концентрации

электролита от 0,10 до 0,23 моль/л. Дальнейшее повышение напряжения и

концентрации (на участке 306 – 360 В и 0,23 – 0,50 моль/л) приводит к росту

величины Ra. Это связано с увеличением количества разрядов и ионов в

парогазовой оболочке, что связано с изменением топографии обрабатываемой

поверхности. Микронеровности сглаживаются и формируется новый рельеф

поверхности с определенным уровнем шероховатости. Минимальная

шероховатость Ra = 0,17 мкм имеет место при напряжении U = 311 В, времени

обработки t = 7,95 мин, концентрации электролита n = 0,24 моль/л.

1.1.5.2 Динамика убыли массы

В работах [80, 47] отмечено, что убыль массы линейно возрастает во

времени, если свойства обрабатываемого материала не приводят к образованию

оксидных слоев, которые могут способствовать замедлению процесса съема

металла. Повышение температуры и напряжения снижает скорость убыли массы,

но не влияет на линейный характер его изменения.

Скорость съема покрытия снижается с как с ростом температуры, так и

напряжения, что объясняется увеличением толщины парогазовой оболочки [80].

Page 23: Mukaeva diss

23

Снижение шероховатости происходит в области температур и напряжений,

способствующих поддержанию подходящего для ЭПП типа кипения.

В работе [46] рассмотрен более широкий диапазон напряжений, на котором

наблюдается увеличение убыли массы с ростом напряжения в диапазоне

напряжений от 120 до 200 В, при этом в электролите растет содержание

продуктов анодного растворения. Максимальный удельный съем материала

стального анода наблюдается при напряжении 200 В, что соответствует

максимальной температуре нагрева анода 890 °С в 15% растворе хлорида

аммония. Этот результат получен при нагревании образцов из сталей 20, 50 и У8 в

растворах хлорида аммония различных концентраций (5, 10 и 15%). Затем

наблюдается уменьшение убыли массы с ростом напряжения.

Повышение концентрации хлорида аммония от 5 до 10% приводит к

увеличению удельного съема материала анода при одинаковой температуре анода

950 °С. Этот факт отражает заметный вклад собственно электрохимического

растворения, пропорционального концентрации анионов в парогазовой оболочке,

по сравнению с высокотемпературным окислением. Дальнейшее увеличение

концентрации аммония до 15% уже не позволяет достичь температуры нагрева

анода 950 °С. В результате удельный съем металла анода снижается, несмотря на

более высокую концентрацию анионов [87].

1.1.5.3 Динамика плотности тока

На плотность тока, а значит и на энергоемкость процесса ЭПП наибольшее

влияние оказывают такие технологические параметры, как напряжение U и

температура электролита Т. Авторами [83] установлено, что закономерности

изменения средней анодной плотности тока при ЭПП нержавеющей стали в

зависимости от напряжения и температуры электролита аналогичны.

С увеличением температуры электролита происходит снижение плотности тока.

Схожие результаты проявляются и при изучении влияния напряжения.

С увеличением напряжения также наблюдается тенденция к снижению плотности

тока.

Page 24: Mukaeva diss

24

На величину плотности тока оказывает влияние также кривизна

поверхности обрабатываемой детали. В статье [84] вычислено, что произведение

плотности тока и толщины парогазовой оболочки является равной величиной для

любого участка поверхности. Соответственно, при уменьшении радиуса кривизны

значительно увеличивается плотность тока. Зависимость плотности тока от

радиуса кривизны носит гиперболический характер. Так, при температуре

электролита 80○С, глубине погружения 20 мм и рабочем напряжении 280 В

средняя плотность тока для цилиндра диаметром 6 мм составляет 0,28 А/см2, а для

цилиндра диаметром 1 мм – 0,5 А/см2.

1.1.6 Мониторинг процесса ЭПП по электрическим характеристикам

1.1.6.1 Вольтамперные характеристики

Рассмотрим зависимости тока и температуры анодной поверхности от

напряжения на электродах, представленные на рисунке 1.

Участок ОА на рисунке 1.1 соответствует классическому

электрохимическому процессу. Электролиз в этой области сопровождается

некоторым нагревом анодной поверхности. Интенсивное газовыделение и

формирование приэлектродного газожидкостного слоя, имеющего нелинейное

сопротивление, приводят к нелинейности вольт-амперной (ВАХ) характеристики

начиная с точки А.

Этот процесс наблюдается при прохождении электрического тока

плотностью 0,01 – 0,5 А/см2 и рабочем напряжении в десятки вольт.

Соответствующий участок на ВАХ имеет линейную зависимость тока от

напряжения, что означает постоянную величину электрического сопротивления

межэлектродного промежутка [43].

Page 25: Mukaeva diss

25

Рисунок 1.1 – Зависимости тока (1) и температуры анодной поверхности (2)

от напряжения на электродах электролитной ячейки [44]

С ростом напряжения количество газовых пузырьков в приэлектродном

газожидкостном слое возрастает. В результате Джоулева тепловыделения

температура электролита в электролитных мостиках, которые образуются в

местах соприкосновения поверхности металла и электролита, достигает

температуры кипения, образуется система «жидкость-газ-пар». Суммарная

площадь поперечного сечения электролитных мостиков, по которым

осуществляется протекание тока, уменьшается. На вольтамперной характеристике

в точке В наблюдается экстремум, соответствующий критическому значению тока

Iкр и напряжения Uкр. Положение максимума кривой ВАХ зависит от различных

факторов, большое влияние оказывает тип используемого электролита и материал

обрабатываемой детали [88]. .Дальнейшее повышение напряжения на участке

BCD сопровождается значительным уменьшением величины тока в цепи [44]. При

превышении пробивного значения напряженности электрического поля в

парогазовой оболочке возникают микроразряды, оказывающие локальное

воздействие на поверхность детали [20].

Page 26: Mukaeva diss

26

Точка D соответствует переходу от пузырькового типа кипения к

пленочному и установлению стационарной парогазовой оболочки с тлеющим

разрядом. Температура поверхности анода повышается с ростом напряжения,

достигая температур около 1000○С.

Последующее увеличение напряжения на электродах приводит к иным

электрогидродинамическим явлениям в электролите и к другому характеру

электрических разрядов в парогазовой фазе. В этой области вольт-амперной

характеристики наблюдается резкое снижение температуры анода до 100 - 200 ○С.

Начиная с точки F, электрическое сопротивление между металлом и

электролитом растет, ток падает.

Протекающие в парогазовой оболочке химические, электрохимические,

электроэрозионные и гидродинамические процессы вызывают интенсивное

удаление дефектных покрытий без изменения геометрических размеров

обрабатываемой детали сложного профиля [89]. В работе [4] показано, что

производительность процесса электролитно-плазменной обработки определяется

напряжением, составом электролита и его температурой.

Вольтамперная характеристика электролитно-плазменной обработки

(рисунок 1.1) характеризуется резкими перегибами – своеобразными точками

бифуркации. Физическая природа синергетики состоит в том, что в нелинейной

области, вдали от равновесного состояния, система теряет устойчивость и малые

флуктуации приводят к новому режиму - совокупному движению многих частиц

[54].

Система ЭПО является сложной, состояние поверхности обрабатываемой

детали главным образом определяется воздействием на неѐ парогазовой оболочки,

обладающей различными свойствами на различных участках ВАХ.

При переходном типе кипения происходит хаотичное колебание толщины

ПГО, которое уравновешивается колебанием тока. При нарушении равновесия

электролит соприкасается с проводящей поверхностью, и происходят выбросы

тока, после которых система может вернуться в прежнее состояние переходного

Page 27: Mukaeva diss

27

кипения или произойдет преобразование ПГО к пузырьковому типу. Это

состояние ПГО характеризуется хаотичным движением заряженных пузырьков

различного диаметра активно воздействующих на поверхность и протеканием

тока по электролитным мостикам. При дальнейшем повышении напряжения

энергетическое равновесие достигается за счет зажигания микроразрядов.

Различие равновесных состояний также заключается в том, что они

используются для принципиально различных типов ЭПО: полирования,

оксидирования, удаления покрытий, нагрева, химико-термической обработки.

Таким образом, процесс ЭПО можно рассматривать как

самоорганизующуюся технологическую систему – замкнутую нелинейную

динамическую систему, способную обеспечить устойчивое функционирование за

счет перераспределения энергии в процессе обработки.

1.1.7 Мониторинг процесса ЭПО по оптическим характеристикам

Применение методов анализа оптического излучения при электролитно-

плазменной обработке началось сравнительно недавно. В одной из ранних работ

оптическое излучение, создаваемое микроразрядами на поверхности

обрабатываемой детали, передавалось по световоду на фотодиод, и проводилась

запись показаний фототока в зависимости от длительности и условий обработки

[90]. При этом была показана информативность полученных измерений.

Развитие цифровой видеосъемки и фотографии позволило получить

хорошие фотоснимки поверхности образца при электролитно-плазменной

обработке [91, 92]. Установлено, что интенсивность излучения, яркость [93] и его

спектральный состав, а также плотность микроразрядов и их средний размер

зависят от условий обработки, например напряжения и температуры электролита.

В статье [94] приведены данные об интенсивности излучения на разных

длинах волн и информация об атомах, которые становятся источниками

излучения, под воздействием энергии плазмы микроразрядов. Согласно

описанным спектрам, излучающими являются как атомы титановой подложки,

так и оксидного покрытия, а также атомы электролита и растворителя (воды).

Page 28: Mukaeva diss

28

Состав электролита изменяется в ходе процесса электролитно-плазменной

обработки. Интенсивность излучения на определенных длинах волн так же не

постоянна, поэтому изучение процесса во времени может оказаться

информативным для его автоматизации. Например, в статье [95] представлен

график изменения интенсивности излучения атомами калия, алюминия и

кислорода во времени в ходе микродугового оксидирования.

Как показывают экспериментальные исследования, интегральная

светимость микроразрядов в ходе электролитно-плазменного полирования

значительно меньше светимости при плазменно-электролитическом

оксидировании, поэтому мониторинг процесса ЭПП по оптическим

характеристикам оказывается значительно менее эффективным, чем для ПЭО.

1.1.8 Мониторинг процесса ЭПП по эталонным моделям

Рядом ученых проведены исследования процесса ЭПП с применением

метода планирования эксперимента [96]. В качестве факторов, влияющих на

результаты обработки, исследовались: концентрация электролита n в диапазоне

0,1 – 0,5 моль/л; время обработки t в диапазоне 3 – 9 мин; величина напряжения

на электролизере U в диапазоне 240 – 360 В. В качестве откликов принята

шероховатость Ra, мкм, и производительность П, г/(мм2·мин). Опытные образцы

из низколегированной термообработанной стали 30ХГСА обрабатывались в

водном растворе хлористого аммония. Обработка результатов экспериментов,

полученных при реализации матрицы планирования, позволила получить

эмпирическую модель, адекватно описывающую процесс электролитно-

плазменного полирования. Модель была выбрана в виде квадратичного уравнения

[97]:

f(x1, x2 , x3) = B0 + B1x1 + B2x2 + B3x3 + B4x 1x2 +

+ B5x2x3 + B6x1x3 + B7x2

1 + B8x22 + B9x

23 + B10x1x2x3,

(1.1)

где x1, x2, x3– условные обозначения уровней факторов;

B0 – B10 —коэффициенты уравнения регрессии.

Page 29: Mukaeva diss

29

Использовав метод планирования эксперимента для исследования ЭПП

стали 30ХГСА, авторами [96] получена зависимость шероховатости и

производительности от параметров процесса ЭПП. Показано, что зависимость

величины среднего арифметического профиля шероховатости Ra от параметров

процесса носит экстремальный характер.

Зависимость шероховатости Ra, мкм, от времени обработки, концентрации

электролита и рабочего напряжения имеет вид

Ra(U, n, t) = 0,931 + 1,36n + 0,082t – 0,453nt +

+ 1,5n2 + 0,0014Unt

(1.2)

Зависимость производительности П, г/(мм2·мин) от времени обработки,

концентрации электролита и рабочего напряжения имеет вид:

П(U, n, t) = 2,21–0,0025U–5,45n + 2,087t – 5,0nt – 0,005Ut (1.3)

Получено, что шероховатость Ra уменьшается с ростом величины

напряжения на электролизере от 240 до 306 В и с увеличением концентрации

электролита от 0,10 до 0,23 моль/л. Производительность ЭПП линейно зависит от

концентрации электролита и времени обработки, увеличение значения которых

приводит к росту производительности.

Таким образом, в результате анализа публикаций выявлены особенности

технологического процесса электролитно-плазменного полирования, проведено

сравнение с другими видами полирования и доказана актуальность исследований

области автоматизации технологического процесса электролитно-плазменного

полирования.

Page 30: Mukaeva diss

30

1.2 Анализ систем управления процессами электролитно-плазменной

обработки

1.2.1 Контроль параметров состояния поверхности

1.2.1.1 Информативные параметры процесса ЭПП как объекта

управления

В ряде публикаций были выявлены информативные параметры,

позволяющие оценивать шероховатость в ходе ЭПП. Эти параметры перечислены

в таблице 1.3 и могут быть измерены контактным и бесконтактным методами. К

контактным относятся способы измерения, при которых элементы измерительной

системы приводятся в контакт с объектом измерения, в отличие от

бесконтактных.

На основе информативных параметров выявлены методы активной и

пассивной идентификации состояния поверхности. Активный способ измерения

базируется на оценке результатов специального воздействия на обрабатываемую

поверхность и обычно представляет собой косвенную оценку состояния

поверхности.

Пассивный способ идентификации подразумевает отсутствие воздействия

исследователя на оцениваемый объект при прямом или косвенном измерении.

Подходы к управлению технологическими процессами электролитно-плазменной

обработки на основе пассивной идентификации свойств поверхностного слоя

представлены в работе [98]. Рассмотрена методика статистического

спектрального анализа тока электролизера, позволяющая выявлять скрытые

закономерности изменения информативных параметров, коррелированные с

динамикой состояния поверхности. Представлены способы пассивной

идентификации свойств поверхностного слоя при электролитно-плазменном

полировании и удалении покрытий и способы управления длительностью

процесса на их основе.

В заполненной таблице 1.3 отсутствуют информативные параметры,

измеряемые бесконтактно в результате активной идентификации.

Page 31: Mukaeva diss

31

Таблица 1.3

Информативные параметры

Контроль шероховатости Ra поверхности

Сп

осо

бы

изм

ерен

ия

шер

охо

ват

ост

и

Активный Пассивный

Ко

нта

ктн

ый

1) Емкость [99]

2) Ток утечки через диэлектрик

[100]

3) Ток разряда между

измерительным электродом

и полируемой поверхностью

[101]

1) Шероховатость Ra при

прямом измерении прибором

типа профилометр

Бес

кон

тактн

ый

1) Ширина частотного спектра

переменной составляющей

тока [52]

2) Действующее значение

напряжения на выходе

полосового фильтра [53]

3) Технологические параметры,

закономерно влияющие на

качество поверхности [45]

Поиск информативных параметров в импедансных спектрах процесса ЭПП

является перспективным, так как известны способы пассивной бесконтактной

идентификации Ra, связанные с электрическими спектральными

характеристиками. Следовательно, можно предположить, что активное

воздействие на процесс ЭПП в определенных областях частот повысит точность и

воспроизводимость известных способов идентификации шероховатости

поверхности и позволит разработать новые способы контроля свойств

поверхностного слоя.

1.2.1.2 Способы контроля параметров состояния поверхности

Рассмотрим способы контроля шероховатости поверхности, описанные в

таблице 1.3. При анализе публикаций были найдены контактные способы

активной идентификации:

Page 32: Mukaeva diss

32

1) Способ измерения шероховатости электропроводящей поверхности,

заключающийся в том, что на ней размещают слой диэлектрика,

преимущественно дистиллированную воду, налагают электрод емкостного

датчика, который доводят до электрического контакта с контролируемой

поверхностью, замораживают воду и измеряют величину электроемкости между

электродом и контролируемой поверхностью [99].

2) Способ измерения шероховатости поверхности электропроводящих

изделий, заключающийся в том, что контролируемое изделие и измерительный

электрод помещают в диэлектрическую жидкость, прикладывают высокое

напряжение и измеряют ток между ними, по величине которого определяют

степень шероховатости [100].

3) Способ измерения шероховатости поверхности электропроводящих

изделий, заключающийся в том, что прикладывают высокое напряжение

постоянного тока между поверхностью изделия и измерительным электродом и

измеряют ток разряда между ними, по величине которого определяют

шероховатость. До приложения высокого напряжения кратковременно подают

низковольтный потенциал на поверхность изделия и воздействуют на нее

аэрозолью, содержащей масло. Благодаря локализации наэлектризованных капель

масла около микровыступов увеличивается напряженность электрического поля в

воздушном зазоре на этих участках, вследствие чего увеличивается плотность

инициирующих электронов с концов микровыступов, что приводит к увеличению

тока в разрядной цепи, а следовательно, и к повышению разрешающей

способности и точности данного способа измерения шероховатости [101].

Применение перечисленных способов приводит к необходимости

останавливать ТП ЭПП для проведения косвенного измерения шероховатости.

При анализе пассивных способов идентификации шероховатости в ходе

ЭПП можно выделить контактный, который представляет собой прямое

измерение шероховатости с использованием приборов типа «профилометр», и

бесконтактные, заключающиеся в косвенном измерении шероховатости через

Page 33: Mukaeva diss

33

электрические характеристики технологического процесса ЭПП и зависимости

свойств поверхности от условий и длительности обработки.

Рассмотрим бесконтактные способы пассивной идентификации,

приведенные в таблице 1.3:

1) Способ измерения шероховатости поверхности в ходе ЭПП, который

заключается в том, что между поверхностью детали, являющейся анодом, и

катодом прикладывают высокое напряжение. Измеряют ширину частотного

спектра переменной составляющей тока разрядов по уровню 0,2 - 0,5 рабочего

напряжения. Шероховатость поверхности определяют по формуле [52]:

Ra= kf+R0, (1.4)

где Ra - шероховатость поверхности;

k - коэффициент пропорциональности;

f - измеренная ширина спектра;

R0 - эмпирический параметр.

2) Способ измерения шероховатости поверхности в ходе ЭПП

заключающийся в том, что переменную составляющую тока подают на полосовой

фильтр с граничными частотами 500 и 1500 Гц, измеряют действующее значение

напряжения на выходе фильтра U, рассчитывают начальное значение напряжения

U0 путем усреднения значения U в течение 20 с от начала процесса,

шероховатость в ходе обработки определяют по формуле [53]:

0

0

)( RaU

URa , (1.5)

где Ra0 - начальное значение шероховатости поверхности;

U - текущее значение напряжения на выходе полосового фильтра;

U0 - начальное значение напряжения на выходе полосового фильтра.

Наличие перечисленных бесконтактных способов пассивной

идентификации, которые используют в качестве информативных параметров

частотные свойства переменной составляющей тока, является важной

предпосылкой для исследований импедансных спектров процесса ЭПП.

Например, в этих способах указаны возможные диапазоны поиска

информативных частот. В первом способе представлена информативная ширина

Page 34: Mukaeva diss

34

частотного спектра переменной составляющей тока 50 … 1300 Гц [52]. Во втором

500 … 1500 Гц [53].

1.2.2 Системы управления технологическими процессами ЭПП

1.2.2.1 Системы стабилизации технологических параметров

В ходе обработки технологические параметры, такие как температура

электролита, напряжение на электролизере, плотность тока изменяются из-за

выделения Джоулевого тепла, колебаний парогазовой оболочки. Для управления

режимом обработки необходимо стабилизировать указанные технологические

параметры.

Известна система управления режимом процесса ЭПП, стабилизирующая

температуру электролита с помощью электронагревателя и теплообменника

(охладителя), нижний допустимый уровень электролита с помощью датчика

уровня, химический состав электролита путем ввода составляющих в

специальной ванне коррекции, в которую поступает электролит из рабочих

ванн [50].

ОДО "СТЕКЛОВАК" выпускает установки со стабилизацией температуры

раствора, обеспечиваемой с помощью микроконтроллерного прибора. При

понижении температуры ниже заданной включается нагрев, при повышении сверх

допустимой включается охлаждение. Нагрев производится трубчатыми

электронагревателями. Охлаждение производится холодной водой,

циркулирующей через рубашку охлаждения.

Важными технологическими параметрами, требующими стабилизации в

ходе ЭПО, являются электрические параметры. В работе [62] представлены

подходы к управлению одной из разновидностей процесса ЭПО – плазменно-

электролитического оксидирования (ПЭО). Предлагаемый подход к управлению

состоянием поверхности в ходе ПЭО заключается в изменении средней плотности

тока по результатам измерений действующих значений силы тока и напряжения

на электролитной ванне за счет регулирования частоты и скважности импульсов

напряжения. На рисунке 1.2 показана структурная схема системы управления,

реализующая описанный способ [62].

Page 35: Mukaeva diss

35

Рисунок 1.2 – Структурная схема системы управления: 1 – персональная ЭВМ; 2 –

блок управления; 3 – источник питания; 4 – электролитная ванна; 5 – система

датчиков напряжения и тока; 6 – измерительно-преобразовательный блок [62]

Принцип работы системы состоит в следующем. В ходе обработки

аналоговые сигналы с системы датчиков напряжения и тока 5 поступают на вход

измерительно-преобразовательного блока 6. С выхода блока 6 сигнал,

преобразованный в цифровой код, поступает на персональную ЭВМ 1.

Персональная ЭВМ 1, выполняя функцию элемента сравнения, анализирует

цифровой сигнал и вырабатывает сигнал рассогласования, которым запускается

блок управления частотой и скважностью 2.

Далее блок управления 2 вырабатывает управляющие импульсы, которые

подаются на силовые элементы выпрямительного и инверторного блоков

источника питания 3. Выходные биполярные импульсы напряжения

определенной амплитуды, частоты и скважности подаются на электролитную

ванну для ПЭО 4, тем самым, осуществляя модификацию поверхностного слоя. В

результате система правления регулирует и стабилизирует среднюю плотность

тока в электролитной ванне в ходе процесса ПЭО.

1.2.2.2 Системы оптимизации технологических параметров

Рассматриваемый тип управления технологическими параметрами

возникает из задачи достижения целевых свойств состояния поверхности при

наименьшей себестоимости обработки или наибольшей производительности.

ПЭВМ

БУ

ИП

ЭВ

ИПБ

6

СД

5

1 2 3 4

Page 36: Mukaeva diss

36

Рисунок 1.3 Алгоритм оптимизации технологических параметров [102]

Это особенно актуально для процесса ЭПП, в качестве главного недостатка

которого отмечается высокая энергоемкость. Автором [102] разработан алгоритм,

показанный на рисунке 1.3, который позволяет автоматизировать выбор значений

технологических параметров процесса ЭПП (концентрация электролита, величина

рабочего напряжения, время обработки) по типу материала, начальному уровню

шероховатости, обрабатываемой площади, желаемого уровня шероховатости.

Оптимизация технологических параметров основана на эталонных

математических моделях.

Подобный подход, основанный на анализе уравнений аппроксимации

экспериментальных данных для оптимизации ЭПУП рассмотрен в работе [103].

Page 37: Mukaeva diss

37

1.2.2.3 Программные системы управления

Данный вид системы управления основан на использовании реализации

алгоритмов диагностики состояния поверхности по косвенным показателям. В

патенте [69] представлен способ контроля шероховатости и степени удаления

покрытия. Замечено, что полирование поверхности сопровождается снижением

амплитуды и частоты колебаний и приближением амплитудно-частотного спектра

сигнала к спектру белого шума. Указанные информативные параметры

формируют вектор сигнала обратной связи, оказывающий влияние на

установление технологических параметров, как показано на структурной схеме на

рисунке 1.4.

Управление процессом осуществляется системой управления, блок-схема

которой представлена на рисунке 1.4 и содержит экспертную систему задания

траектории управления 1, соединенную с элементом сравнения 2, который

подключен к интеллектуальному регулятору 3, присоединенному к источнику

технологического напряжения 4, связанными с электролизной ванной 5 и

датчиком тока 6, который через блок преобразования сигнала 7 соединен с

элементом сравнения 2. Сигнал с экспертной системы задания траектории

управления 1 через элемент сравнения 2 поступает на интеллектуальный

регулятор 3, вырабатывающий сигнал управления для источника

технологического напряжения 4, подаваемого на электролизную ванну 5, в

которой производится удаление покрытия и полирование поверхности,

освобожденной от покрытия.

Рисунок 1.4 – Структурная схема интеллектуальной системы управления ТП

ЭПУП: 1 – экспертная система задания траектории управления; 2 – элемент

сравнения; 3 – нечеткий интеллектуальный регулятор; 4 – система управления; 5 –

источник напряжения; 6 – электролитная ванна для электролитно-плазменного

удаления покрытия; 7 – обратная связь [69]

1 2 3 4 5 6

7

Page 38: Mukaeva diss

38

Технологический процесс ЭПП – наукоемкий и изучение

электрофизических процессов в прианодной зоне позволит найти новые способы

идентификации состояния поверхности для разработки систем управления

процессами ЭПО.

Таким образом, в результате анализа систем управления процессом

электролитно-плазменного полирования и родственными процессами выявлены

информативные параметры и перспективные подходы, позволяющие оценивать

состояние поверхности в ходе обработки.

1.3 Анализ автоматизированных установок для процессов ЭПП с

контролем состояния объекта управления

На рисунке 1.5 представлена классификация автоматизированных

технологических установок для процесса ЭПП.

Лабораторные технологические установки отличаются от промышленных

тем, что загружаются меньшим количеством деталей для обработки

одновременно. Благодаря этому при косвенной идентификации свойств

поверхности удается получить более точные значения, когда как при большой

загрузке – статистические измерения по всем деталям. Так же конструкция

электролизера допускает возможность использования приборов для регистрации:

прозрачные окна для видеосъемки, пространство для помещения зондов и т.д.

С движением электролита в электролизере во многом связано

распределение температуры в электролизере. При неподвижном – статичном

электролите в ходе обработки температура в прианодной зоне возрастает.

Поэтому при выборе режима обработки следует учитывать эти изменения.

Циркуляция электролита осуществляется системой прокачки и способствует

равномерному распределению температуры. Струйное течение электролита

используется для обработки отдельных участков поверхности, например,

внутренних полостей, куда подается струя электролита.

Page 39: Mukaeva diss

39

Рисунок 1.5 – Классификация автоматизированных технологических установок для процессов ЭПП

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ

УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРОЦЕССОВ ЭПП

Лабораторные

Промышленные

Статическое

Равномерная

циркуляция

Вольтостатический

Одностадийный

Многостадийный

Целевые

Стабилизирующий

Оптимизирующий

Технологические

Струйные

течения

Диагностирующий

Тип установок

Движение

электролита

Режимы

Питание

Стадии Исполнение

Система управления

Тип

контроля

Контролир.

параметры

39

Page 40: Mukaeva diss

40

Для ЭПП используется вольтостатический режим обработки. К

электролизеру прикладывается постоянное напряжение. В некоторой литературе

ЭПП называют импульсной обработкой, принимая во внимание электрические

импульсы, создаваемые микроразрядами, которые возникают у поверхности

обрабатываемой детали вследствие приложенного высокого постоянного

напряжения.

Существуют различные разработки по проведению технологического

процесса ЭПО в одну или несколько стадий. Несколько стадий могут применяться

для экономии электроэнергии. В этом случае, на первой стадии обработки

используется более высокое напряжение, а на второй более низкое [43]. В статье

[37] показано, что поэтапное изменение технологических параметров способно

привести к более высокому качеству поверхности при полировании титана и

титановых сплавов по сравнению с поддержанием технологических параметров

постоянными на субоптимальном уровне.

Распространено использование источников питания электролизера,

включающих трансформатор и выпрямитель. Для процессов ЭПО характерны

броски тока, которые с одной стороны приводят к нестабильности парогазовой

оболочки [43], c другой стороны могут служить для диагностики поверхности, как

показано в патенте [104]. Добавление конденсаторов параллельно электролизеру

приводит к более устойчивому процессу ЭПП, но искажает электрический отклик

системы на изменения прианодного слоя.

При управлении ТП ЭПП автоматизированному контролю могут

подвергаться технологические параметры, такие как напряжение на

электролизере, температура, концентрация и уровень электролита. Поддержание

перечисленных технологических параметров на постоянном уровне обеспечивает

стабильность протекания эффективного режима обработки.

Система оптимального управления технологическим процессом ЭПП

позволяет достигнуть целевых параметров состояния поверхности, выбрав

наилучший режим обработки. Повышение эффективности оптимизации,

Page 41: Mukaeva diss

41

позволяющей выбрать наилучший вариант без непосредственной проверки всех

возможных вариантов режимов обработки в частных условиях технологической

установки, тесно связана с проработанностью физических и математических

моделей технологического процесса.

Еще один тип управления обладает обратной связью по состоянию

обрабатываемой поверхности. Недоступные для прямого измерения параметры

состояния поверхности могут оцениваться косвенно по корреляционным

зависимостям с регистрируемыми значениями электрических параметров,

параметров оптического или акустического излучения [105]. Так же характерные

участки во временных характеристиках процессов [104, 106, 107] могут

соответствовать критическим состояниям обрабатываемой поверхности.

1.3.1 Особенности искусственных нейронных сетей для решения задач

моделирования и управления

Сложность и нелинейность технологического процесса ЭПП приводит к

повышенным требованиям к точности систем диагностики, надежности и

производительности систем управления. Так как процессы в зоне обработки

взаимосвязаны, система, формализующая процесс обработки достаточно сложна и

еѐ построение невозможно без комплексного изучения сопутствующих явлений.

Нейронные схемы управления – это схемы управления, в которых

используется архитектура нейронных сетей и их способность к обучению.

Нейронная сеть состоит из нейроноподобных вычислительных элементов,

которые являются нелинейными преобразователями. Такие свойства нейронных

сетей делают возможным нелинейное преобразование данных, позволяет

реализовывать новые нелинейные схемы управления. Традиционные методы

управления в основном опираются на теорию линейных систем, в то время как

реальные объекты управления являются по своей природе нелинейными [108].

К достоинствам нейронных сетей, позволяющих достигнуть целей

нейросетевого управления можно отнести [109]:

- способность к обучению, самообучению и адаптивность,

Page 42: Mukaeva diss

42

- надежность,

- быстродействие,

- универсальность применения, возможность решения плохо

формализуемых задач.

Рассмотрим разновидности радиальных базисных нейросетей и

многослойного персептрона, обучаемого с помощью алгоритма обратного

распространения ошибки.

Для построения нейронной сети с радиальными базисными функциями в

среде программирования MATLAB используется алгоритм самоорганизации,

решающий задачу максимизации точности модели, при минимальном числе

радиальных нейронов [110]. Радиальные базисные нейронные сети состоят из

бóльшего количества нейронов, чем сети с прямой передачей сигналов и

обучением методом обратного распространения ошибки, но на их создание

требуется значительно меньше времени. Эти сети особенно эффективны, когда

доступно большое количество обучающих примеров [111].

При выборе типа нейросетевой модели возникает ряд проблем. Например,

классическое использование уравнений регрессии для моделей типа черного

ящика, эффективное для оптимизации процессов [112], не позволяет, однако,

решать задачи управления с достаточной точностью, хотя и может обеспечивать

решение в первом приближении [113]. Для другой разновидности процесса ЭПО –

электролитно-плазменного удаления покрытия разработана нейросетевая модель,

которая может быть использована в качестве эталонной при создании систем

управления процессом [114]. Авторы разрешают проблему использованием

обобщенной регрессионной нейронной сети, которая относится к сетям с

радиальной базисной функцией [115]. Указанный тип моделей дает гладкую

аппроксимацию с высокой степенью точности в области интерполяции, быстро и

воспроизводимо обучается за счет наращивания числа нейронов и расчета

синаптических весов по простой формуле. Кроме того, данная модель дает

пессимистический по сравнению с уравнениями регрессии прогноз в области

Page 43: Mukaeva diss

43

экстраполяции. Важной особенностью такой модели является построение

многовходовых и многовыходных (англ. MIMO) моделей, что учитывает

взаимодействие откликов между собой, в отличие от уравнений регрессии.

В работе учитывается опыт исследований в направлении нейросетевого

моделирования процессов, родственных ЭПП, и рассмотрены, как радиально-

базисные типы сетей, так и сети прямого распространения сигнала.

Существует также специальный тип радиально-базисных сетей GRNN

(Generalized Regression Neural Networks) для решения задач обобщенной

регрессии.

Функция активации Гаусса для радиального базисного нейрона имеет вид: 2

0,8326

σ

lz

lv e

(1.6)

где vl – выход l–го нейрона, zl – выход суммирующего элемента l–го

нейрона, рассчитываемый как расстояние между центром активационной

функции, задаваемым весами w и вектором входных сигналов нейрона u:

Параметр обучения ζ (spread) представляет собой ширину активационной

гауссовской функции на половине высоты и обычно принимает значения от 1 до

0,01. При помощи параметра spread определяется точность аппроксимации.

Выход суммирующего элемента нейрона zi рассчитывается, как расстояние

между центром активационной функции, задаваемым весами w, и вектором

входных сигналов нейрона u по формуле:

2

,

1

Q

l q l q

q

z u w

(1.7)

где q – номер нейрона в предыдущем слое, Q – общее число нейронов в

предыдущем слое, w – вес соответствующего синапса, u – выход нейрона

предыдущего слоя.

Page 44: Mukaeva diss

44

Рисунок 1.6 – Структура двухслойной радиально-базисной сети

Рассматриваемая радиальная базисная сеть состоит из двух слоев: скрытого

радиального базисного, имеющего N1 нейронов и выходного линейного слоя,

имеющего N2 нейронов как показано на рисунке 1.6, где U – множество входных

величин [116].

Структура обобщенно-регрессионной сети отличается от общей структуры

радиальной базисной сети наличием блока для вычисления нормированного

скалярного произведения строки массива весов во втором слое LW{2,1} и вектора

входа a1 в соответствии со соотношением:

(1.8)

Обобщенно-регрессионные используются для решения задач регрессии и

аппроксимации функций.

Для выполнения алгоритмов прямого распространения сигнала и обучения

сети с помощью метода обратного распространения ошибки используются

двухслойные сети. Данный вид нейронных сетей определяет функцию ошибки

как сумму квадратов расстояний между выходными значениями jMy нейронной

сети, выдаваемых сетью при обучении, и заданными выходными значениями

обучающего множества jMd . Пусть ixx – столбец входных значений, где

i=1,2,..,n. Тогда }{ jyy – выходные значения, где j=1,2,…,m. В общем случае

n≠m. Рассмотрим разность jMjM dy , где jid – точное (правильное) значение из

примера. Эта разность должна быть минимальна.

N1 N2 U

Page 45: Mukaeva diss

45

Рисунок 1.7 Структурная схема нейронной сети с многослойным

персептроном

где 1p - вектор входа,

jiIW ,,

jiLW ,- матрицы весов входа и выхода,

ib -

смещение, ia - выход слоя, y - выход сети, tansig (гиперболическая

тангенциальная), purelin (линейная) - соответствующие функции активации.

Mj

MjMj dyE,

2

,, )( (1.9)

Задача обучения нейронной сети состоит в том, чтобы найти такие

коэффициенты kw , при которых достигается минимум )(wE (Е 0).

Существуют две базовые разновидности сетей прямого распространения

сигнала с обратным распространением ошибки FeedForward и Cascade-forward.

На рисунке 1.7 показана структурная схема нейронной сети FeedForward.

Структура нейросети Cascade-forward подобна FeedForward, но отличается тем,

что содержит связи входного и каждого предшествующего слоя с последующими.

Таким образом, проведена классификация автоматизированных систем

управления и установок, используемых для реализации процесса электролитно-

плазменного полирования и выявлен подход к построению АСУ ТП ЭПП с

контуром контроля свойств поверхности на основе оценок импедансных спектров

электролизера, что, в отличие от АСУ ТП ЭПП без подобного контура, позволяет

своевременно останавливать процесс обработки.

Page 46: Mukaeva diss

46

1.4 Формулирование цели и задач исследования

Анализ литературных данных доказал актуальность проведения

исследований процесса электролитно-плазменного полирования, нацеленных на

разработку методов и средств управления ТП ЭПП. Известны обширные

экспериментальные исследования процессов ЭПП, но отсутствуют достаточно

полные математической модели, позволяющие контролировать свойства

поверхности в ходе ЭПП. Так как физико-химические процессы, протекающие

при ЭПО, сложны и скоротечны, многие из них пока описаны только

качественно и необходимы теоретические и экспериментальные исследования

для их формализации. Для повышения эффективности и качества необходимо

изучать явления различной природы, сопровождающие процесс ЭПП.

На современных установках ЭПП реализована стабилизация

технологических параметров, оптимизация режима обработки по входным

параметрам согласно экспериментальным данным, которая осуществляется до

обработки, разработаны способы программного управления по косвенным

оценкам шероховатости поверхности, разработаны эталонные модели влияния

некоторых технологических параметров на шероховатость. Но для обеспечения

лучших технологических показателей процесса ЭПП необходимо: провести

анализ влияния всех наиболее значимых технологических параметров на

динамику шероховатости поверхности и съема поверхностного слоя;

контролировать шероховатость поверхности и съем поверхностного слоя по

косвенным показателям в ходе обработки; осуществлять оптимальное

управление технологическими параметрами в ходе обработки для достижения

заданных значений свойств поверхности с наименьшим энергопотреблением.

Существующие системы управления не учитывают всех особенностей и

характеристик процесса ЭПП, поэтому повышение эффективности этого

процесса за счет управления является перспективным направлением.

Page 47: Mukaeva diss

47

В комплексе мероприятий, направленных на повышение эффективности и

качества ЭПП, важное место занимают вопросы теоретических и

экспериментальных исследований процессов, сопровождающих ЭПП.

Анализ известных факторов, влияющих на ход ЭПП, показал, что во

времени шероховатость убывает по функции, близкой к экспоненциальной, но не

выявлено, как коэффициенты этой функции зависят от технологических

параметров. Определены диапазоны напряжения и температуры, при выходе за

которые значительно снижается качество поверхности, но не известны

зависимости шероховатости и толщины съема поверхностного слоя от

напряжения и температуры электролита внутри известного диапазона. Специфика

технологических установок или обрабатываемых деталей могут оказывать

воздействие на режим обработки. Например, кривизна поверхности влияет на

плотность тока, следовательно, и на форму ПГО. В этом случае, так как состояние

ПГО связано с режимом обработки, требуются универсальные критерии

диагностики режима обработки, помимо напряжения и температуры, отражающие

состояние ПГО. Таким критерием могут быть импедансные спектры

электролизера, добавляющие еще одну координату в пространство состояний

процесса – частоту.

В результате анализа способов косвенного измерения шероховатости в ходе

ЭПП по электрическим информативным параметрам установлены их отдельные

недостатки, такие как: требование соприкосновения с поверхностью;

необходимость вычисления спектральной плотности мощности; длительный

промежуток времени для получения первого значения измерения.

При анализе способов косвенного измерения шероховатости с

использованием оптических параметров выявлены недостатки, заключающиеся в

сложности их применения при замутнении электролита и затрудненном доступе

излучения к светочувствительному элементу.

Page 48: Mukaeva diss

48

Выявлено, что недостатками известной математической модели является

отсутствие учета температуры электролита и сложность адаптации к отдельным

технологическим установкам.

Рассмотрение способов диагностики состояния поверхности показало, что

наиболее перспективными являются способы, основанные на математических

моделях, учитывающих технологические параметры процесса ЭПП и

спектральных характеристиках электрических сигналов. Анализ информативных

параметров, позволяющих контролировать свойства поверхностного слоя показал,

что не были изучены вопросы активной бесконтактной идентификации методом

импедансной спектроскопии. На перспективность данного метода указывают

известные способы пассивной бесконтактной идентификации Ra, связанные с

электрическими спектральными характеристиками. Следовательно, можно

предположить, что активное воздействие на процесс ЭПП в определенных

областях частот может повысить точность и воспроизводимость известных

способов идентификации шероховатости поверхности и позволит разработать

новые способы контроля состояния поверхностного слоя.

В результате сравнительного анализа известных способов измерения

свойств поверхности в ходе ЭПП установлено, что для построения

математических и нейросетевых моделей необходимы экспериментальные

исследования с регистрацией значений технологических параметров и анализом

результатов обработки. Для исследования импедансных спектров процесса ЭПП

необходимы экспериментальные исследования при воздействии сигналами

переменной частоты.

Проведен анализ в области систем управления процессом ЭПП и

процессами электролитно-плазменной обработки. Проведена классификация

автоматизированных систем управления и установок, используемых для процесса

ЭПП. Установлено, что в настоящее время применяются автоматизированные

системы управления со стабилизацией технологических параметров на

определенном в ходе настройки субоптимальном уровне, или с программным

Page 49: Mukaeva diss

49

управлением режимами обработки. Однако подавляющее большинство

рассмотренных систем не решают задачу контроля шероховатости поверхности и

толщины съема поверхностного слоя в ходе ЭПП.

Таким образом можно сформулировать цель и задачи исследования.

Цель работы

Снижение энергоемкости и повышение качества обработки для процесса

электролитно-плазменного полирования за счет разработки метода оптимального

управления на основе контроля шероховатости поверхности и толщины съема

поверхностного слоя по импедансным спектрам.

Задачи исследования

1. Экспериментально исследовать шероховатость поверхности, толщину

съема поверхностного слоя и импедансные спектры в ходе процесса

электролитно-плазменного полирования, как характеристики объекта управления.

2. Разработать модель процесса электролитно-плазменного

полирования как объекта управления.

3. Разработать метод оптимального управления процессом ЭПП на

основе контроля шероховатости поверхности и толщины съема поверхностного

слоя по импедансным спектрам.

4. Разработать и внедрить аппаратно-программный комплекс АСУ ТП,

реализующий метод оптимального управления процессом ЭПП на основе

контроля шероховатости поверхности и толщины съема поверхностного слоя по

импедансным спектрам, оценить эффективность предложенного метода.

Page 50: Mukaeva diss

50

Выводы по главе 1.

1. В результате анализа публикаций выявлены особенности

технологического процесса электролитно-плазменного полирования, проведено

сравнение с другими видами полирования и доказана актуальность исследований

области автоматизации технологического процесса электролитно-плазменного

полирования.

2. В результате анализа систем управления процессом электролитно-

плазменного полирования и родственными процессами выявлены

информативные параметры и перспективные подходы, позволяющие оценивать

состояние поверхности в ходе обработки.

3. Проведена классификация автоматизированных систем управления и

установок, используемых для реализации процесса электролитно-плазменного

полирования и выявлен подход к построению АСУ ТП ЭПП с контуром контроля

свойств поверхности на основе оценок импедансных спектров электролизера, что,

в отличие от АСУ ТП ЭПП без подобного контура, позволяет своевременно

останавливать процесс обработки.

4. Поставлена цель и сформулированы задачи исследования в области

автоматизации технологического процесса электролитно-плазменного

полирования.

Page 51: Mukaeva diss

51

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОЛИТНО-

ПЛАЗМЕННОГО ПОЛИРОВАНИЯ КАК ОБЪЕКТА

УПРАВЛЕНИЯ

В данной главе решается задача исследования процесса электролитно-

плазменного полирования как объекта управления с целью построения его

модели, установления взаимосвязи свойств поверхностного слоя с

технологическими параметрами и изучения импедансных спектров процесса в

информативном диапазоне частот.

2.1 Экспериментальное исследование выходных характеристик

процесса электролитно-плазменного полирования

При проведении экспериментального исследования, в качестве

технологических параметров, способных управлять свойствами поверхности

обрабатываемых деталей, рассматривались те, действие которых существенно

влияет на парогазовую оболочку. Этими управляющими воздействиями приняты

напряжение на электролизере, температура электролита и начальная

шероховатость поверхности. Влияние начальной шероховатости не столь

очевидно, но микрогеометрия металлической поверхности определяет

распределение напряженности электрического поля на границе раздела и тем

самым участвует в росте пузырьков ПГО и образовании микроразрядов.

Известно, что существуют информативные электрические параметры,

позволяющие идентифицировать состояние поверхности в ходе обработки.

Некоторые из них рассмотрены в пункте 1.1.6. Поэтому при проведении

экспериментов регистрировались средние значения тока и напряжения.

Основные параметры состояния поверхности, характеризующие качество

технологического процесса электролитно-плазменного полирования металлов -

это конечная шероховатость поверхности и толщина съема поверхностного слоя.

Для них затруднительно использовать методы прямого измерения в ходе

обработки, поэтому в работе применяются косвенные методы на основе

математического, нейросетевого моделирования, выявления информативных

Page 52: Mukaeva diss

52

параметров импедансных спектров. В работе также предлагается применять

результаты математического моделирования для настройки электрических

параметров в ходе ЭПП. В частности, для регулирования плотности тока в ходе

обработки предлагается варьирование технологических параметров процесса.

Исследования механизма процесса электролитно-плазменной обработки,

рассмотренные в статьях [4, 80], позволили выявить основные выходные

переменные объекта управления и управляющие воздействия. Вклад соискателя в

данных работах заключается в участии в проведении экспериментов, обработке и

моделировании экспериментальных данных.

2.1.1 Экспериментальная автоматизированная установка для

изучения процессов ЭПО

Эксперименты проводились на автоматизированной установке для изучения

процессов электролитно-плазменной обработки с управлением от персонального

компьютера. На рисунке 2.1 показан общий вид экспериментальной установки, на

котором показаны: электролизер 1 с гидросистемой теплообмена и фильтрации 2;

система загрузки образца 3; источник питания 4, система сбора данных,

автоматизированную при помощи персонального компьютера 6; графические

данные в ходе обработки отображаются на дисплее 5.

Рисунок 2.1- Общий вид исследовательского стенда

Page 53: Mukaeva diss

53

Рисунок 2.2 – Структурная схема экспериментальной установки

Структурная схема автоматизированной установки представлена на рисунке

2.2 и содержит четыре подсистемы: подсистема управления источником питания,

подсистема управления температурой электролита, подсистема загрузки образца в

ванну и подсистемой датчиков измерения технологических параметров процесса.

Электролитическая ванна включает гидросистему. Питание системы

осуществляется от управляемого от ЭВМ импульсного источника напряжения.

Управление производится с помощью платы аналого-цифрового ввода-

вывода L761. С помощью данной платы в режиме реального времени с частотой

дискретизации fS = 25 кГц в персональный компьютер вводится информация из

блока подсистемы измерения параметров процесса.

Более подробная детализация блока подсистемы датчиков измерения

параметров процесса и его связь с персональным компьютером и платой L761

показаны на рисунке 2.3.

Page 54: Mukaeva diss

54

Рисунок 2.3 – Структурная схема подсистемы сбора и анализа данных

экспериментальной установки

Рассмотрим структурную схему устройства. Датчики напряжения и тока

предназначены для того, чтобы снимать соответствующие сигналы с выхода

исследуемого объекта (в данном случае – это импульсный источник

напряжения, регулируемого в диапазоне от 150 до 400 В). Датчик тока

выполнен на основе резистивного преобразователя – измерительного шунта. В

качестве датчика напряжения используется однопредельный делитель

напряжения. Датчик температуры AD592 служит для измерения температуры

электролита. Фильтры низких частот, установленные в обоих каналах,

предназначены для ограничения спектра сигнала для выполнения теоремы

Котельникова. Согласующие усилители предназначены для приведения

сигналов к входу АЦП платы ввода-вывода L761 по уровню напряжения, а

также для приведения выходного сопротивления измерительного канала и

линии передачи в соответствие с требованиями описания АЦП платы ввода-

вывода L761 [117]. Блок питания необходим для обеспечения

работоспособности функциональных блоков системы.

Плата L761 на базе высокопроизводительной шины PCI служит для

ввода, вывода и обработки аналоговой и цифровой информации в

персональных IBM-совместимых компьютерах [117]. Благодаря интерфейсу

Page 55: Mukaeva diss

55

PCI обеспечивается высокая скорость обмена информацией (данными) с

программой пользователя, исключаются конфликты с другими платами,

установленными в PC, и гарантируется полное отсутствие каких-либо

конфигурационных перемычек и переключателей. Все режимы работы таких

плат задаются программным образом. На плате установлен современный

сигнальный процессор (DSP) фирмы Analog Devices ADSP-2184, который

может обеспечить ввод аналоговой информации и анализ ее в независимом от

компьютера режиме с последующим сообщением о результатах анализа.

Погрешность измерения канала тока составляет 2,5%, канала напряжения

5%, канала температуры 2%, от предела измерений.

2.1.2 Методика проведения экспериментов

Экспериментальные данные для построения модели процесса ЭПП, как

объекта управления, и спектрального анализа в режиме малого сигнала получены

с использованием образцов из стали 20Х13. Обработка осуществлялась в 5%

водном растворе (NH4)2SO4. До и после обработки измерялась масса образцов,

регистрируемая аналитическими весами A&D GR-200 с точностью 0,1 мг и

шероховатость поверхности деталей, которая оценивалась как среднее

арифметическое отклонение профиля Ra с помощью профилометра 283 на

пределах измерения 1,0; 0,3; 0,1 мкм с погрешностью не более 5 % от диапазона

измерения. Вид экспериментальных образцов представлен на рисунке 2.4 и имеет

форму прямоугольного параллелепипеда.

Обработке была подвержена поверхность образца площадью S○, которая

определяется следующим образом:

S○ = 2ac+2bc+ab (2.1)

Page 56: Mukaeva diss

56

Рисунок 2.4 - Геометрия экспериментальных образцов

2.1.3 Методика измерения параметров состояния поверхности

В качестве параметров состояния поверхности рассматривались:

шероховатость поверхности Ra, мкм; толщина съема поверхностного слоя h, мкм.

В качестве технологического параметра, характеризующего процесс ЭПП,

рассматривалась плотность тока δ, А/см2

.

Значение параметра h определялось по формуле:

,)(

01320 S

mmh

Х

последо

(2.2)

где mдо и mпосле - масса образцов до и после обработки соответственно;

ρ20Х13 = 7660 кг/м3- плотность стали 20Х13 при температуре 100 °С;

Sо– обрабатываемая площадь поверхности образца.

с

а

b и

∆h

∆h

∆h

Page 57: Mukaeva diss

57

Значение средней по площади анода плотности тока δ рассчитывалось по

формуле:

о

δS

Iср

(2.3)

где Sо – обрабатываемая площадь поверхности образца, Iср - среднее значение

анодного тока по каждому опыту:

][1

1

iIср (2.4)

где i[η] – дискретизированный с частотой fs сигнал мгновенного значения тока с

числом отсчетов Н=7168, регистрируемый автоматизированной системой сбора

данных каждые 0,3 с.

2.1.4 Методика планирования эксперимента

Проведен полнофакторный эксперимент с четырьмя входными

переменными [118]. Этими переменными являются факторы: постоянное

напряжение на электролизере U в диапазоне 250…350 В; стабилизированная

температура электролита T в диапазоне 70…90 0С; длительность обработки t в

интервале 3…15 минут, исходная шероховатость поверхности 8 и 9 класса,

которым соответствует параметр Ra, равный 0,63 и 0,32 мкм соответственно.

Уровни варьирования факторов эксперимента приведены в таблице 2.1. Матрица

планирования приведена в таблице 2.2.

Таблица 2.1

Уровни варьирования факторов

U, В T, ○C Ra0, мкм t, мин

max 350 90 0,63 0

min 250 70 0,32 15

Page 58: Mukaeva diss

58

Таблица 2.2

Матрица планирования и результаты экспериментов

Матрица планирования Результаты экспериментов

Образца

Опыта t,мин U, B T,

○С Ra0,мкм Ra,мкм h,мкм δ, А/см

2

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 1 3 250 70 0,316 0,152 7,571 0,473

1 2 6 250 70 0,316 0,104 13,993 0,418

1 3 9 250 70 0,316 0,106 19,097 0,331

1 4 12 250 70 0,316 0,082 24,232 0,337

1 5 15 250 70 0,316 0,083 29,476 0,371

2 6 3 250 80 0,294 0,145 4,273 0,270

2 7 6 250 80 0,294 0,111 8,096 0,271

2 8 9 250 80 0,294 0,131 11,927 0,275

2 9 12 250 80 0,294 0,073 15,819 0,281

2 10 15 250 80 0,294 0,065 19,782 0,286

3 11 3 250 90 0,328 0,167 2,672 0,193

3 12 6 250 90 0,328 0,131 5,265 0,199

3 13 9 250 90 0,328 0,098 7,570 0,184

3 14 12 250 90 0,328 0,092 10,123 0,196

3 15 15 250 90 0,328 0,091 12,660 0,203

4 16 3 300 70 0,351 0,132 4,647 0,329

4 17 6 300 70 0,351 0,091 9,649 0,342

4 18 9 300 70 0,351 0,076 14,525 0,339

4 19 12 300 70 0,351 0,054 19,464 0,332

4 20 15 300 70 0,351 0,055 24,315 0,341

5 21 3 300 80 0,330 0,169 3,802 0,267

5 22 6 300 80 0,330 0,131 7,199 0,264

5 23 9 300 80 0,330 0,104 10,568 0,268

5 24 12 300 80 0,330 0,116 13,923 0,267

5 25 15 300 80 0,330 0,083 17,244 0,271

6 26 3 300 90 0,331 0,205 2,291 0,183

6 27 6 300 90 0,331 0,138 4,675 0,184

6 28 9 300 90 0,331 0,138 6,893 0,195

6 29 12 300 90 0,331 0,097 9,112 0,199

6 30 15 300 90 0,331 0,085 11,337 0,202

7 31 3 350 70 0,338 0,217 2,987 0,344

7 32 6 350 70 0,338 0,213 6,239 0,313

7 33 9 350 70 0,338 0,107 9,498 0,318

7 34 12 350 70 0,338 0,086 12,357 0,304

7 35 15 350 70 0,338 0,071 15,646 0,299

8 36 3 350 80 0,342 0,210 2,605 0,281

Page 59: Mukaeva diss

59

1 2 3 4 5 6 7 8 9

8 37 6 350 80 0,342 0,173 4,909 0,283

8 38 9 350 80 0,342 0,118 7,248 0,263

8 39 12 350 80 0,342 0,110 9,724 0,274

8 40 15 350 80 0,342 0,101 11,992 0,288

9 41 3 350 90 0,348 0,233 1,991 0,204

9 42 6 350 90 0,348 0,179 3,735 0,183

9 43 9 350 90 0,348 0,162 5,204 0,190

9 44 12 350 90 0,348 0,142 6,688 0,193

9 45 15 350 90 0,348 0,117 8,149 0,203

10 46 3 250 70 0,604 0,422 5,697 0,389

10 47 6 250 70 0,604 0,221 11,114 0,368

10 48 9 250 70 0,604 0,247 16,237 0,349

10 49 12 250 70 0,604 0,121 21,107 0,337

10 50 15 250 70 0,604 0,107 26,203 0,374

11 51 3 250 80 0,482 0,289 4,040 0,276

11 52 6 250 80 0,482 0,212 7,933 0,306

11 53 9 250 80 0,482 0,157 11,702 0,290

11 54 12 250 80 0,482 0,104 15,277 0,282

11 55 15 250 80 0,482 0,099 19,069 0,302

12 56 3 250 90 0,440 0,286 2,551 0,199

12 57 6 250 90 0,440 0,194 4,924 0,193

12 58 9 250 90 0,440 0,127 7,413 0,193

12 59 12 250 90 0,440 0,151 9,918 0,198

12 60 15 250 90 0,440 0,134 12,400 0,197

13 61 3 300 70 0,567 0,282 4,519 0,316

13 62 6 300 70 0,567 0,263 8,733 0,302

13 63 9 300 70 0,567 0,200 13,201 0,309

13 64 12 300 70 0,567 0,163 17,950 0,339

13 65 15 300 70 0,567 0,144 22,583 0,335

14 66 3 300 80 0,491 0,284 3,304 0,231

14 67 6 300 80 0,491 0,254 6,654 0,253

14 68 9 300 80 0,491 0,191 9,898 0,246

14 69 12 300 80 0,491 0,156 12,727 0,224

14 70 15 300 80 0,491 0,136 15,352 0,224

15 71 3 300 90 0,459 0,339 2,529 0,196

15 72 6 300 90 0,459 0,232 4,842 0,195

15 73 9 300 90 0,459 0,192 7,251 0,205

15 74 12 300 90 0,459 0,159 9,565 0,202

15 75 15 300 90 0,459 0,136 11,830 0,204

16 76 3 350 70 0,491 0,328 2,744 0,308

16 77 6 350 70 0,491 0,206 5,959 0,317

Page 60: Mukaeva diss

60

Ra = 0,10 мкм

а)

Ra = 0,13 мкм

б)

Ra = 0,12 мкм

в)

Ra = 0,15 мкм

г)

Рисунок 2.5 - Топография поверхности образцов из стали 20Х13 c

увеличением x500 после ЭПП при U = 250 В, T = 70○C (а); U = 250 В, T = 90

○C

(б); U = 350 В, T = 70○C (в); U = 350 В, T = 90

○C (г) и t = 15 мин

1 2 3 4 5 6 7 8 9

16 78 9 350 70 0,491 0,172 8,900 0,300

16 79 12 350 70 0,491 0,148 11,961 0,316

16 80 15 350 70 0,491 0,124 15,252 0,343

17 81 3 350 80 0,496 0,361 2,246 0,231

17 82 6 350 80 0,496 0,249 4,102 0,204

17 83 9 350 80 0,496 0,258 6,130 0,234

17 84 12 350 80 0,496 0,204 7,978 0,217

17 85 15 350 80 0,496 0,167 9,694 0,209

18 86 3 350 90 0,486 0,376 1,755 0,189

18 87 6 350 90 0,486 0,276 3,415 0,191

18 88 9 350 90 0,486 0,232 5,090 0,195

18 89 12 350 90 0,486 0,177 6,860 0,200

18 90 15 350 90 0,486 0,154 8,622 0,201

10 µm 10 µm

10 µm 10 µm

Page 61: Mukaeva diss

61

Проводилась оптическая микроскопия поверхности образцов (рисунок 2.5),

результаты которой доказывают эффективность полировки и подтверждают

показания профилометра. Как следует из приведенной топографии поверхности,

для шероховатости поверхности менее 0,13 мкм следы механической

предобработки уже полностью отсутствуют.

2.1.5 Экспериментальные результаты исследования взаимосвязи

технологических параметров со свойствами поверхностного слоя

За 15 минут обработки была достигнута шероховатость поверхности Ra,

равная 0,06…0,10 и 0,10…0,20 мкм для исходной Ra, равной 0,63 и 0,32 мкм

соответственно. Интервал стандартного отклонения регистрируемых значений

напряжения SU = 2 B, тока SI = 0,14 A и температуры ST= 1○C определяется по

формуле:

)1(

)(1

2

n

yy

S

n

i

i

y,

(2.5)

где y – выборочное среднее, n - размер выборки, yi– элемент выборки.

При достижении шероховатости поверхности 0,10 мкм, величина h лежит в

пределах 12-22 и 8-14 мкм для исходной Ra, равной 0,63 и 0,32 мкм

соответственно. Причем, рассчитанная убыль массы за счет электрохимического

растворения по закону Фарадея составляет 20 - 30 % от значения [119],

полученного в результате съема поверхностного слоя в ходе ЭПП. Это может

объясняться активным воздействием ПГО с микроразрядами.

Графики изменения шероховатости поверхности Ra, толщины съема

поверхностного слоя h и плотности тока δ представлены на рисунке 2.6.

Page 62: Mukaeva diss

62

Рисунок 2.6 – Общий вид переходных характеристик

В результате анализа вида переходных характеристик переменных Ra, h и δ

установлено, что они могут быть аппроксимированы следующими

параметрическими зависимостями от времени t:

Ra = A·exp(-t / τ)+C (2.6)

h = v·t, (2.7)

где A - предельное снижение шероховатости;

τ - постоянная времени;

C - предельно достижимая шероховатость;

t – длительность обработки;

v – скорость съѐма поверхностного слоя.

Установлено, что время установления плотности тока на 2-3 порядка

меньше постоянной времени η, поэтому в рассматриваемом масштабе времени с

шагом в 1 минуту инерционностью величины плотности тока δ можно

пренебречь. Отклонение значения плотности тока δ от среднего при одних

условиях обработки в течение длительности обработки не превышает значения

погрешности измерения. Таким образом, зависимость плотности тока δ от

времени не была отмечена.

Ra ,мкм

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0 3 6 9 12 15 t ,мин

δ ,A/см2

0

5

10

15

20

h ,мкм Ra,мкм

Page 63: Mukaeva diss

63

Численные значения результатов экспериментов представлены

в таблице 2.2. Параметры A, τ, C, v уравнений (2.6, 2.7) и величина коэффициента

детерминации R2 представлены в таблице 2.3.

Расчет коэффициента детерминации R2 проводился по формуле [120]:

n

i i

ii

x

yxR

12

22 )(

1 (2.8)

где x и y – экспериментальное значение свойства поверхности и аргумент

уравнения аппроксимации в тот же момент времени соответственно;

n – число пар значений x и y.

Относительная погрешность расчета h определяется по формуле:

%100)(

0

0

1320

1320

S

S

mm

mm

Х

Х

последо

последоh (2.9)

где mдо и mпосле масса образцов до и после обработки соответственно;

S○ – площадь полируемой поверхности до обработки;

∆mдо = ∆mпосле=0,1·10-3

г – абсолютные погрешности измерения массы;

∆ρ20X13 = 0,5кг/м3 – погрешность справочного значения плотности стали 20Х13.

Таблица 2.3

Параметры уравнений аппроксимации экспериментальных данных при

различных условиях обработки

Образец

U,

B

T, ○C

Ra0,

мкм

Параметры уравнения

Ra = A·exp(-t / τ)+C и

величина достоверности

аппроксимации R2

Параметр уравнения

h = v·t и величина

достоверности

аппроксимации

R2

A,

мкм τ,мин

С,

мкм R

2 v,

мкм/мин R

2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 250 70 0,316 0,229 2,438 0,086 0,993 2,049 0,988

2 250 80 0,294 0,224 3,063 0,071 0,994 1,326 0,999

3 250 90 0,328 0,235 2,846 0,090 0,995 0,847 0,999

4 300 70 0,351 0,289 2,276 0,060 0,994 1,621 0,999

5 300 80 0,330 0,239 2,990 0,088 0,994 1,164 0,999

Page 64: Mukaeva diss

64

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

6 300 90 0,331 0,245 4,410 0,084 0,985 0,757 0,999

7 350 70 0,338 0,283 5,379 0,054 0,999 1,041 0,999

8 350 80 0,342 0,248 4,506 0,092 0,990 0,807 0,999

9 350 90 0,348 0,228 4,727 0,117 0,991 0,561 0,992

10 250 70 0,604 0,552 5,758 0,056 0,986 1,774 0,998

11 250 80 0,482 0,403 5,187 0,075 0,995 1,283 0,999

12 250 90 0,440 0,312 4,150 0,128 0,998 0,827 0,999

13 300 70 0,567 0,457 5,344 0,112 0,999 1,496 0,999

14 300 80 0,491 0,349 4,514 0,134 0,977 1,055 0,996

15 300 90 0,459 0,357 6,229 0,106 0,995 0,797 0,999

16 350 70 0,491 0,388 5,103 0,103 0,995 1,004 0,999

17 350 80 0,496 0,338 5,787 0,155 0,973 0,662 0,997

18 350 90 0,486 0,409 8,795 0,077 0,997 0,572 0,999

Среднее значение 0,322 4,638 0,094 0,992 1,091 0,998

Абсолютная погрешность расчета обработанной площади

экспериментального образца ∆S○ рассчитывается по формуле:

)222

)(22(

))(22(0

b

b

c

c

a

aabbcac

b

b

a

a

c

c

b

b

c

c

a

aabbcacS

(2.10)

где ∆a = 0,01 см, ∆b = 0,01 см и ∆с = 0,05 см абсолютные погрешности

геометрических размеров.

Значения величин a и b измерялись штангенциркулем, а значение параметра

с - измерительной линейкой.

Среднее значение относительной погрешности косвенного измерения

h параметра изменения толщины поверхностного слоя ∆h составляет 9 %.

Относительная погрешность вычисленных значений плотности тока δ

определяется по формуле:

;0

0

S

S

I

I

ср

ср

(2.11)

где S○ – площадь обработанной поверхности экспериментального образца;

Page 65: Mukaeva diss

65

∆S○ - абсолютная погрешность расчета обработанной площади

экспериментального образца;

∆Icp – это среднее отклонение тока от среднего значения тока Icp и

определяется по формуле:

N

III

N

i cp

cp

)(1

; (2.12)

где Icp - значение среднего тока для одного набора условий обработки и

постоянно во времени;

I – среднее значение тока в каждом опыте.

Среднее значение относительной погрешности косвенного измерения j

плотности тока δ составляет 12 %. Погрешность измерения шероховатости

поверхности образца определяется погрешностью профилометра 283 и составляет

5 %.

Так же следует учитывать, что шероховатость не равномерна по

поверхности образцов. Для определения еѐ среднего значения измерения

проводились в девяти точках и находилось среднее арифметическое.

Интервал, характеризующий отклонение значений шероховатости

поверхности определяется по формуле [121]:

)1(

)(1

2

nn

aRRa

S

n

i

i

Ra

(2.13)

где Rai– измеренное значение шероховатости поверхности;

aR - среднее значение шероховатости поверхности в каждом опыте;

n – число измерений в каждом опыте.

Среднее значения интервала SRa составляет 0,0169 мкм.

Таким образом, по результатам полнофакторного эксперимента с

использованием образцов из стали 20Х13 проведена аппроксимация

экспериментальных данных, в результате которой выявлено, что в ходе ЭПП при

Page 66: Mukaeva diss

66

напряжениях на электролизере 250 … 350 В, температуре электролита 70 … 90 ○С

и начальной шероховатости поверхности 0,32 … 0,63 мкм:

- снижение шероховатости происходит экспоненциально со средней

постоянной времени τ = 4,6 мин;

- за 15 минут обработки была достигнута шероховатость поверхности Ra,

равная 0,06…0,10 и 0,10…0,20 мкм для исходной Ra0, равной 0,63 и 0,32 мкм

соответственно;

- величина изменения геометрических размеров обрабатываемой детали

возрастает линейно, в среднем со скоростью 1,1 мкм/мин. При достижении

шероховатости поверхности 0,10 мкм, величина h лежит в пределах 12-22 и 8-14

мкм для исходной Ra, равной 0,63 и 0,32 мкм соответственно;

- среднее значение анодной плотности тока δ составляет 0,266 А/см2, не

изменяется во времени и зависит в наибольшей степени от напряжения на

электролизере и температуры электролита;

- шероховатость поверхности изменяется по высоте образца и распределена

неравномерно со средним отклонением 0,0169 мкм. При этом среднее значение

относительной погрешности косвенного измерения толщины поверхностного

слоя и плотности тока составляет 9% и 12% соответственно.

2.2 Построение модели процесса электролитно-плазменного

полирования как объекта управления

2.2.1 Методика построения модели процесса ЭПП как объекта

управления

Методика моделирования основана на математической обработке

результатов экспериментов с использованием нейронных сетей, связывающих

значения управляющих воздействий U, T и начальной шероховатости Ra0 со

значениями плотности тока в цепи δ в ходе ЭПП и с параметрами передаточных

функций динамических звеньев, описывающих процесс изменения шероховатости

поверхности Ra и толщины съема поверхностного слоя h.

Page 67: Mukaeva diss

67

С использованием графической среды программирования Simulink

построена модель процесса ЭПП, как объекта управления, описывающая

переходные характеристики выходных переменных объекта управления,

отражающих изменение свойств поверхностного слоя, как реакцию на

ступенчатое воздействие включения установки ЭПП на напряжение U,

температуру электролита T, с начальными условиями Ra0 [122].

Разработанная модель показана на рисунке 2.7. В соответствии с

уравнениями (2.6) и (2.7) динамика переменной Ra соответствует

апериодическому звену первого порядка, h – интегрирующему звену, δ –

безынерционному звену. Динамика свойств поверхности описывается

следующими дифференциальными уравнениями:

),()()(τ tAxtRatRadt

d

(2.14)

),()( txvthdt

d

(2.15)

),()(δ txBt (2.16)

где x(t) – входное единичное ступенчатое воздействие включения

установки ЭПП, B - коэффициент передачи безынерционного звена, зависящий от

U и T.

Параметры передаточных функций динамических звеньев получены с

использованием нейросетевых моделей в зависимости от U, T, Ra0 и показаны на

рисунках, 2.9 , 2.10, 2.11, 2.14, 2.15. Разработанная модель применима при

изменении управляющих воздействий в диапазонах U = 250 … 350 В,

T = 70 … 90 ○С для деталей из стали 20Х13 с начальной шероховатостью

Ra0 = 0,32 … 0,63 мкм. Интервал дискретизации TS, использованный в данной

работе составляет 1 мин, что в 3-6 раз меньше постоянной времени η изменения

шероховатости, что допустимо согласно теореме В.А. Котельникова.

Page 68: Mukaeva diss

68

Рисунок 2.7 – Функциональная схема модели процесса ЭПП как объекта

управления

На структурной схеме 2.7 также присутствует блок пересчета параметров A

и η в a0, b0, который служит для преобразования уравнения 2.14 к виду:

),()()( 00 txbtRaatRadt

d

(2.17)

где ,τ

10a .

τ0

Ab

(2.18)

2.2.2 Нейросетевое моделирование параметров передаточных функций

В последние годы наблюдается положительная динамика в плане

применения искусственных нейросетей для решения задач идентификации и

диагностики технических объектов [123].

Для формирования таблицы обучающих примеров (матрицы планирования)

нейронных сетей использовался набор полученных экспериментальных данных.

Для улучшения возможности сравнивать весовые коэффициенты проводилось

нормирование значений входных переменных нейросетей к диапазону [-1; +1] по

формулам:

Page 69: Mukaeva diss

69

2

)min()max()max(

2

)min()max(

ii

i

ii

i

i XXX

XXX

x (2.19)

2

)min()max()max(

2

)min()max(

jj

j

jij

j

j YYY

YYY

y (2.20)

где x, y – нормированные значения факторов и откликов; X, Y – натурные

значения факторов и откликов; i – порядковый номер фактора; j – порядковый

номер отклика.

Параметры передаточных функций динамических звеньев vCA ˆ,ˆ,ˆ,ˆ и

отклик плотности тока ˆ определяются блоком нейросетевого моделирования на

основе результатов аппроксимации экспериментальных данных уравнениями (2.6,

2.7) и управляются нормированными значениями факторов 321 ,, xxx .

Масштабирование управляющих воздействий и начальной шероховатости

поверхности проводилось по формулам:

2

2

minmaxmax

minmax

1 UUU

UUU

x (2.21)

2

2

minmaxmax

minmax

2 TTT

TTT

x

(2.22)

2

2

min0max0max0

min0max00

3 RaRaRa

RaRaRa

x

(2.23)

где U, T, Ra0 – экспериментально полученные значения напряжения в цепи,

температуры электролита и начальной шероховатости образца соответственно;

максимальные и минимальные значения этих переменных представлены в

таблице 2.1.

Page 70: Mukaeva diss

70

Построена статическая нейросетевая модель зависимости параметров

передаточных функций динамических звеньев vCA ˆ,ˆ,ˆ,ˆ и плотности тока ˆ от

масштабированных значений x1, x2 и x3. Структурная схема нейросетевой модели

показана на рисунке 2.8.

На основе результатов анализа значимости коэффициентов регрессионных

моделей, которые также строились при исследовании объекта управления и

представлены в статье [72], установлено, что в рассматриваемых условиях

обработки:

- на максимальное снижение шероховатости А наибольшее влияние

оказывает начальная шероховатость образца;

- на постоянную времени τ наибольшее влияние оказывает напряжение,

температура электролита и начальная шероховатость;

- на предельно достижимую шероховатость С наибольшее влияние

оказывает начальная шероховатость и температура электролита;

- на скорость съема поверхностного слоя v наибольшее влияние оказывает

напряжение, температура электролита и начальная шероховатость.

- на значение плотности тока δ наибольшее влияние оказывает напряжение

и температура электролита.

Соискателем в работе [72] разработаны эталонные математические модели с

переменными параметрами для определения шероховатости поверхности,

толщины съема поверхностного слоя и плотности тока в ходе электролитно-

плазменного полирования.

Зависимости параметров CA ˆ,ˆ,ˆ от управляющих воздействий U и T при

начальной шероховатости поверхности Ra0 0,32 и 0,63 мкм представлены на

рисунках 2.9 , 2.10 и 2.11.

О возможности применения предложенной методики моделирования для

полирования различных сплавов свидетельствуют результаты исследования

технологического процесса электролитно-плазменного удаления покрытия –

Page 71: Mukaeva diss

71

близкого к процессу ЭПП с точки зрения наличия парогазовой оболочки и

близких условий обработки по U и T, представленные в работе [80]. В работе

получены закономерности изменения шероховатости Ra и убыли массы, которые

могут быть аппроксимированы экспоненциальной и линейной зависимостями

соответственно, аналогично Ra и h в ходе ЭПП стали 20Х13. Вклад соискателя в

работу [80] заключается в участии в проведении экспериментов, обработке и

моделировании экспериментальных данных.

Рисунок 2.8 – Структура нейросетевой модели

а) б)

Рисунок 2.9 – Зависимость постоянной времени τ снижения шероховатости

поверхности для Ra0: 0,32 мкм (а) и 0,63 мкм (б) от факторов U и T

x3

x2

x1

δ

Page 72: Mukaeva diss

72

Рисунок 2.10 – Зависимость значений предельно достижимой

шероховатости С, мкм от факторов U и T при начальной шероховатости

поверхности Ra0 0,32 и 0,63 мкм

Рисунок 2.11 – Зависимость предельного снижения шероховатости A, мкм

от начальной шероховатости Ra0 0,32 и 0,63 мкм

В результате нейросетевого моделирования получены параметры

передаточной функции ,ˆ,ˆ,ˆ CA представленной уравнением (2.6), определяющей

значение шероховатости поверхности. Вследствие зависимости этих параметров

от управляющих воздействий, изменение шероховатости поверхности во времени

выглядит, как показано на рисунке 2.12. Зависимость скорости съѐма

поверхностного слоя обрабатываемой детали v от управляющих воздействий U и

T и начальной шероховатости Ra0 приведена на рисунке 2.14.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

0,2 0,4 0,6 0,8

Ra0 , мкм

А , мкм

Page 73: Mukaeva diss

73

Изменение толщины съема поверхностного слоя при различных значениях

управляющих воздействиях представлено на рисунке 2.13. Вид кривых отклика

модели плотности тока ˆ от управляющих воздействий U и T приведен на рисунке

2.15.

Рисунок 2.12 – Изменение шероховатости поверхности во времени

при температуре 70 (─), 80 (--), 90 (▬) и напряжениях а) U=250 B, б) 300 B,

в) 350 B для класса шероховатости 0,32 и 0,63 мкм

Ra , мкм

0

0,2

0,4

0,6

0,8

0 3 6 9 12 15

t , мин

U = 250 B

a)

Ra , мкм

0

0,2

0,4

0,6

0,8

0 3 6 9 12 15

t , мин

U = 300 B

б)

Ra ,мкм

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

0 3 6 9 12 15

t ,мин

U = 350 B

в)

Page 74: Mukaeva diss

74

Рисунок 2.13 – Изменение толщины съема поверхностного слоя при

температуре 70 ○С (─), 80

○С (--), 90

○С (▬) и напряжениях U= 250 B, U= 300 B,

U = 350 B; прямые 1, 3, 5 соответствуют начальной шероховатости поверхности

Ra0= 0,32 мкм; прямые 2, 4, 6 соответствуют начальной шероховатости

поверхности Ra0 = 0,63 мкм

0

8

16

24

32

0 5 10 15 t ,мин

h ,мкм

1 2 3 4

5 6

U = 250 B

a)

0

8

16

24

32

0 5 10 15 t ,мин

h ,мкм

1 2 3 4 5 6

U = 300 B

б)

0

8

16

24

32

0 5 10 15 t ,мин

h ,мкм

1 2 3 4 5 6

U = 350 B

в)

Page 75: Mukaeva diss

75

а) б)

Рисунок 2.14 – Зависимость скорости съема поверхностного слоя

обрабатываемой детали v , мкм/мин от управляющих воздействий U и T при

начальной шероховатости Ra0 а) 0,32 мкм, б) 0,63 мкм

Рисунок 2.15 – Поверхность отклика модели плотности тока δ, A/см2 от

факторов U и T при температуре 70 ○С (─), 80

○С (--), 90

○С (▬)

Page 76: Mukaeva diss

76

2.2.3 Оценка устойчивости объекта управления

Устойчивость объекта управления оценивалась по критерию Гурвица [124].

Передаточную функция WRa(p), описывающую динамику шероховатости Ra,

согласно дифференциальному уравнению (2.14) можно записать в виде:

,pτ

A(p)WRa

1

(2.24)

где p – переменная Лапласа.

Характеристическое уравнение:

1 + WRa(p) = 0, (2.25)

После подстановки WRa получается характеристическое уравнение первого

порядка:

01Apτ (2.26)

Передаточную функция Wh(p), описывающую динамику шероховатости Ra,

согласно дифференциальному уравнению (2.15) можно записать в виде:

,p

v(p)Wh (2.27)

Характеристическое уравнение:

1 + Wh(p) = 0, (2.28)

После подстановки Wh получается характеристическое уравнение первого

порядка:

0vp (2.29)

Согласно критерию Гурвица, система первого порядка является устойчивой

при положительных коэффициентах уравнений (2.26, 2.29). Как следует из

результатов моделирования, постоянная времени η, максимальное снижение

шероховатости A и скорость съема поверхностного слоя v положительны в

рабочих диапазонах управляющих воздействий U = 250…350 В и Т = 70…90 ○С и

начальной шероховатости Ra0 = 0,32 … 0,63 мкм, что свидетельствует об

устойчивости объекта управления.

Page 77: Mukaeva diss

77

2.2.4 Оценка качества моделей объекта управления

Адекватность математических моделей оценивалась по показателю R2

(коэффициент детерминации), который рассчитывался следующим образом:

N

n n

nnm

y

yyR

12

22 )ˆ(

1 (

(2.30)

где m – номер модели;

ny и ny – значения откликов, полученные с использованием уравнений

аппроксимации экспериментальных данных и нейросетевых моделей в

зависимости от факторов обработки соответственно;

N – число экспериментальных точек.

Коэффициент детерминации R2 является мерой качества математической

модели и характеризует долю вариации зависимой переменной, обусловленную

влиянием факторов, в общей вариации результативной переменной yn; чем ближе

коэффициент детерминации R2 к единице, тем лучше нейросетевая модель

описывает экспериментальные данные, тем больше прогностическая сила модели

[125].

Значения коэффициентов детерминации R2 представлены в таблице 2.3.

Численные значения показателей качества модели представлены в

таблице 2.4. Высокие значения коэффициента детерминации свидетельствуют об

адекватности модели.

Таблица 2.4

Оценка качества и адекватности моделей

Модель 1: Ra Модель 2: h Модель 3: δ

A τ C v δ

R2

параметров 0,98 0,99 0,95 0,99 -

R2

отклика

0,99 0,99 0,99

Page 78: Mukaeva diss

78

Таким образом, построена модель процесса ЭПП в виде структуры из

типовых динамических звеньев, которая описывает переходные характеристики

выходных переменных объекта управления, отражающие изменение свойств

поверхностного слоя как реакцию на ступенчатое воздействие питающего

напряжения электролизера. Выявлено, что при напряжениях на электролизере

250…350 В, температуре электролита 70…90○С, времени обработки 15 мин и

начальной шероховатости поверхности 0,32…0,63 мкм:

- шероховатость поверхности достигает наименьшего значения Ra= 0,07

мкм при напряжении 250 В и температуре 70 ○С;

- наименьшее значение съѐма поверхностного слоя h = 9 мкм достигается

при напряжении 350 В и температуре 90 ○С.

Построены нейросетевые модели параметров передаточных функций:

A, η, C, v и плотности тока δ. Установлено что в исследованном диапазоне

управляющих воздействий:

- максимальное снижение шероховатости А прямо пропорционально зависит

от начальной шероховатости образца;

- постоянная времени τ увеличивается с ростом напряжения, температуры и

начальной шероховатости;

- предельно достижимая шероховатость С увеличивается с ростом

начальной шероховатости и температуры;

- скорость съема поверхностного слоя v снижается с ростом напряжения и

температуры и начальной шероховатости. Зависимость скорости съема

поверхностного слоя от напряжения и температуры нелинейно из-за значимого

парного взаимодействия этих факторов;

- значение плотности тока δ линейно уменьшается с ростом напряжения и

температуры.

Page 79: Mukaeva diss

79

2.3 Исследование импедансных спектров процесса электролитно-

плазменного полирования

2.3.1 Методика проведения спектральной диагностики в режиме

малого сигнала

С помощью автоматизированной системы спектральной диагностики были

проведены экспериментальные исследования процесса электролитно-плазменного

полирования стали 20Х13 с варьируемыми факторами температуры T в диапазоне

от 70 ○С до 90

○С и напряжения от 250 до 350 В. Длительность экспериментов – 10

мин. Исследование частотных характеристик проводилось в режиме малого

сигнала: на электроды подавалась сумма напряжений технологического

источника постоянного напряжения в диапазоне 225…325 В и источника

однополярных прямоугольных импульсов с амплитудой 50 В по методике [126]

как показано на рисунке 2.16. Исследование импедансных спектров одной из

разновидностей электролитно-плазменной обработки – электролитно-

плазменного оксидирования – по данной методике проводилось в работе [71, 127].

В отличие от упомянутого труда, где сканирующая частота изменяется

непрерывно, в проведенных экспериментальных исследованиях воздействие

импульсами переменной частоты fk проводилось ступенчато диапазоне от 20 до

2000 Гц с шагом частот fk = 1,6fk-1, циклически с периодом повтора 12 с и

длительностью каждой ступени 1-2 с. Прямоугольные импульсы сканирующей

частоты генерировались с помощью программы для ЭВМ [128], для которой

соискателем написан фрагмент программного кода, посвященный управлению

таймером. Использование ступенчатого изменения частоты улучшает точность

определения импеданса (комплексного сопротивления) на выбранной частоте. В

ходе обработки осуществлялась поточная двухканальная регистрация мгновенных

значений тока i и напряжения u с частотой выборки каждого канала 40 кГц, что

удовлетворяет теореме В.А. Котельникова [129]. Данные о токе и напряжении

сохранялись блоками Sb по 7168 отсчетов в каждом. Интервал между блоками

0,3 с. Также регистрировались значения температуры T с периодичностью 0,3 с.

Page 80: Mukaeva diss

80

Рисунок 2.16 – Напряжение на электролизере для исследования процесс ЭПП в

режиме малого сигнала

Таблица 2.5

Значения частот сканирующих импульсов, время сканирования и порядок

КИХ фильтра для расчета оценок импедансных спектров

Частота, Гц 20 33 56 93 155 258 413 719 1199 2000

Время

сканирования,

с

2 2 1 1 1 1 1 1 1 1

Порядок КИХ

фильтра 539 439 597 498 543 574 521 622 726 448

При планировании диапазона сканирующих частот для определения

спектральных характеристик процесса ЭПП учитывались патентные разработки в

области процессов ЭПО, рассмотренные в пункте 1.1.6. и аппаратные

ограничения системы сбора данных. В таблице 2.5 приведена матрица

сканирующих частот с указанием длительности воздействия.

Планирование амплитуды импульсов заключалось в выборе воздействия, не

оказывающего влияние на качество поверхности, но способного определить

отклики частотных характеристик процесса и выявить характерные частоты

колебания парогазовой оболочки.

400

300

200

1100 0

0 1 2 t, мc

U, В

U2

U1

Page 81: Mukaeva diss

81

2.3.2 Экспериментальные результаты исследования импедансных

спектров

В таблице 2.6 представлена матрица планирования и оценки свойств

поверхности по результатам экспериментов с воздействием прямоугольных

импульсов переменной частоты для спектральной диагностики процесса ЭПП.

Для расчета оценок импедансных спектров процесса ЭПП обработка

сигнала, сильно зашумленного колебаниями парогазовой оболочки, проводилась

двумя независимыми методами: с помощью полосовых КИХ фильтров с окном

Кайзера и с помощью быстрого преобразования Фурье. Оба метода показали

близкие значения импеданса. Методика расчета оценок импедансных спектров

двумя методами - приведена в пункте 3.3.1.1. Обработка мгновенных значений

тока и напряжения проводилась с помощью программы [130], для которой

соискателем написан фрагмент согласования блока расчетов с данными,

полученными в ходе электролитно-плазменных процессов с парогазовой

оболочкой и фрагмент, выполняющий расчет оценок импедансных спектров с

помощью алгоритмов быстрого преобразования Фурье.

Таблица 2.6

Матрица планирования и результаты экспериментов ЭПП с воздействием

импульсов переменной частоты

Образца

Опыта t,мин U, B T,

○С Ra0,мкм Ra,мкм h,мкм

δ,

А/см2

21 91 15 250 70 0,3389 0,134 31,211 0,488

22 92 15 250 80 0,332 0,075 21,048 0,370

23 93 15 250 90 0,318 0,106 21,549 0,288

24 94 15 300 70 0,338 0,083 26,566 0,242

25 95 15 300 80 0,344 0,072 19,691 0,327

26 96 15 300 90 0,328 0,076 12,868 0,485

27 97 15 350 70 0,331 0,052 18,955 0,360

28 98 15 350 80 0,362 0,074 12,912 0,422

29 99 15 350 90 0,322 0,069 8,844 0,583

Page 82: Mukaeva diss

82

а б

в г

д е

Рисунок 2.17 – Спектры сигналов u(t) и i(t) в измерительных кадрах при

воздействии частотой 20 Гц (а); 33 Гц (б); 56 Гц (в); 93 Гц (г); 155 Гц (д);

258 Гц (е)

Page 83: Mukaeva diss

83

а б

в г

Рисунок 2.18 – Спектры сигналов u(t) и i(t) в измерительных кадрах при

воздействии частотой 431 Гц (а); 719 Гц (б); 1199 Гц (в); 200 Гц (г)

На рисунках 2.17, 2.18 показаны спектры, полученные в результате

разложения в ряд Фурье сигналов напряжения u(t) и тока i(t) в отдельных кадрах,

соответствующих заданному ступенчатому изменению диагностирующей

частоты. Пример приведен для напряжения 350 В и температуры 70○С.

Спектральная линия отклика тока на частоте приложенного диагностирующего

напряжения в кадре присутствует во всем диапазоне исследуемых частот, но в

области частот, меньших 155 Гц, амплитуда спектральной линии отклика тока

значительно уменьшается.

Page 84: Mukaeva diss

84

а б

Рисунок 2.19 - Соответствие исходных сглаженных сигналов

напряжения (─) и тока (--) эквивалентным синусоидам

при частоте импульсов а) 258 Гц, б) 431 Гц

Экспериментальные исследования спектральных характеристик в режиме

малого сигнала показали, что импульсы с выбранной амплитудой 50 В

существенно не влияют на процесс преобразования поверхностного слоя и

позволяют определить частотные характеристики в диапазоне частот 258 …

2000 Гц. В области более низких частот 20 … 155 Гц полученный сигнал сильно

зашумлѐн, возможно, из-за колебаний кипящей ПГО в прианодном слое [70].

На рисунке 2.19 показаны исходные сигналы тока и напряжения с частотой

импульсов 258 Гц, 431 Гц и их эквивалентные синусоиды, заменяющие исходный

сигнал при расчете оценок модуля и аргумента импедансного спектра.

Представленные графики показывают, что разность фаз между током и

напряжением, амплитуда импульсов сигнала тока изменяются при варьировании

частоты подаваемого напряжения.

На рисунках 2.20 и 2.21 показана развертка во времени оценок модуля G и

аргумента θ импеданса процесса ЭПП в течение трех периодов сканирования

импульсами переменной частоты. На графиках можно наблюдать зашумленность

380

350

320

380

350

320

0 2 4 6 8 10 t,мс

U, B U, B

0 1 2 3 4 5 6 t,мс

2,6

1,9

1,2

2,6

1,9

1,2

0 2 4 6 8 10 t,мс

0 1 2 3 4 5 6 t,мс

U, B U, B

3

1,7

0,4

3

1,7

0,4

I, A

I, A

I, A

380

350

320

380

350

320

I, A

Page 85: Mukaeva diss

85

сигнала в области низких частот 20 … 155 Гц. Оценки частотных характеристик

процесса ЭПП в диапазоне 258 … 2000 Гц, обладающие меньшей дисперсией,

показаны на рисунке 2.24.

На рисунках 2.22 и 2.23 приведена динамика во времени оценок модуля и G

и аргумента θ на частотах 258 Гц и 431 Гц соответственно. Стандартное

отклонение значений аргумента θ и модуля G составляют 11° и 0,4 мСм/см2

соответственно при обработке данных с использованием полосового КИХ

фильтра и 9° и 0,6 мСм/см2 – с использованием БПФ. Полученные двумя

методами оценки частотных характеристик близки по значениям.

Отклик импедансного спектра комплексной проводимости электролизера

главным образом определяется состоянием ПГО и увеличивается с ростом

частоты. Емкостный сдвиг фаз между током и напряжением уменьшается по

модулю с ростом частоты.

Модуль G импедансного спектра на всем исследованном диапазоне частот и

аргумент θ в диапазоне от 250 Гц до 750 Гц при повышении температуры Т

снижаются [131].

Рисунок 2.20 - Отклик модуля G от частоты f во времени

в ходе ЭПП стали 20Х13 при U = 350 В и T = 70 ○С

Page 86: Mukaeva diss

86

Рисунок 2.21 - Отклик аргумента θ от частоты f во времени

в ходе ЭПП стали 20Х13 при U = 350 В и T = 70 ○С

Рассматриваемый процесс ЭПП с парогазовой оболочкой может иметь

схему замещения в виде последовательного соединения сопротивления

электролита с параллельной RC-цепочкой, состоящей из емкости и

отрицательного сопротивления ПГО. Отрицательное сопротивление ПГО

свидетельствует о ниспадающем характере рабочего участка вольтамперной

характеристики процесса ЭПО, где повышение напряжения сопровождается

уменьшением величины тока в цепи [132].

Частоте импульсов 431 Гц соответствует характерный экстремум графика

модуля G и область наибольшей скорости уменьшения емкостного сдвига фаз θ

при температуре электролита 70 … 80 ○С. Это может объясняться резонансом

колебаний кипящей ПГО, на которой происходит основное падение напряжения,

на указанной частоте импульсов источника. При температуре электролита 90 ○С

характерный экстремум не возникает, что говорит о возможной смене характера

кипения ПГО.

Page 87: Mukaeva diss

87

Рисунок 2.22 - Динамика оценок модуля G и аргумента θ импедансного спектра на частоте 258 Гц для

температуры 70°С (···), 80°С(ххх), 90°С(+++)

Page 88: Mukaeva diss

88

Рисунок 2.23 - Динамика оценок модуля G и аргумента θ импедансного спектра на частоте 431 Гц для температуры

70°С (···), 80°С(ххх), 90°С(+++)

Page 89: Mukaeva diss

89

а

б

в

Рисунок 2.24 - Оценка импедансных спектров процесса ЭПП

при температуре 70 ○С (─ ─), 80 ○С(──), 90 ○С (▬▬)

и напряжении 250 В (а), 300 В (б), 350 В (в)

□ – значения, полученные с использованием КИХ фильтра,

♦ - значения, полученные с использованием БПФ

Page 90: Mukaeva diss

90

Таблица 2.7

Стандартное отклонение значений θ

f, Гц

№ опыта

258 431 719 1199 2000

91 4,135 9,922 1,670 2,933 2,171

92 2,522 7,425 1,890 1,184 1,338

93 5,053 3,711 1,729 1,715 1,074

94 2,484 9,103 1,422 1,172 0,831

95 2,360 5,022 1,549 1,274 0,772

96 9,256 4,350 3,093 1,840 0,998

97 1,440 16,6131 1,964 1,758 0,921

98 2,019 8,070 1,264 0,892 0,633

99 6,687 2,146 3,093 2,375 0,889

В таблице 2.7 представлены значения стандартных отклонений θ при

обработке сигналов с помощью алгоритмов быстрого преобразования Фурье с

использованием оценки степени линейности системы, представленной в работе

[133]. Стандартное отклонение при частоте воздействующих импульсов 431 Гц

имеет наибольшее значение. Это объясняется тем, что сдвиг фаз на этой частоте

возрастает по модулю во времени.

Таким образом, экспериментально исследованы импедансные спектры

процесса ЭПП, показан емкостный характер комплексной проводимости, наличие

резонансного пика в области частот 400…500 Гц, и сдвиг фаз, близкий к 180

градусам в области частот, меньших 250…400 Гц. Установлено наличие динамики

модуля и аргумента импеданса. Соответствие результатов применения двух

независимых методов для оценки импедансных спектров установил достоверность

полученных результатов. На основе экспериментальных исследований

установлены взаимосвязи между свойствами поверхностного слоя, импедансными

спектрами процесса ЭПП и технологическими параметрами (напряжение на

электролизере, температура электролита, длительность обработки, начальная

шероховатость), позволяющие формализовать закономерности процесса ЭПП как

объекта управления.

Page 91: Mukaeva diss

91

Выводы по главе 2

1. По результатам полнофакторного эксперимента с использованием

образцов из стали 20Х13 проведена аппроксимация экспериментальных данных, в

результате которой выявлено, что в ходе ЭПП при напряжениях на электролизере

250 … 350 В, температуре электролита 70 … 90 ○С и начальной шероховатости

поверхности 0,32 … 0,63 мкм:

- снижение шероховатости происходит экспоненциально со средней

постоянной времени τ = 4,6 мин

- за 15 минут обработки была достигнута шероховатость поверхности Ra,

равная 0,06…0,10 и 0,10…0,20 мкм для исходной Ra0, равной 0,63 и 0,32 мкм

соответственно;

- величина изменения геометрических размеров обрабатываемой детали

возрастает линейно, в среднем со скоростью 1,1 мкм/мин. При достижении

шероховатости поверхности 0,10 мкм, величина h лежит в пределах 12-22 и 8-14

мкм для исходной Ra, равной 0,63 и 0,32 мкм соответственно;

- среднее значение плотности тока составляет 0,266 А/см2, не изменяется во

времени и зависит в наибольшей степени от напряжения на электролизере и

температуры электролита;

- шероховатость поверхности изменяется по высоте образца и распределена

неравномерно со средним отклонением 0,0169 мкм. При этом среднее значение

относительной погрешности косвенного измерения толщины поверхностного

слоя и плотности тока составляет 9% и 12% соответственно.

2. Построена модель процесса ЭПП в виде совокупности типовых

динамических звеньев, которая описывает переходные характеристики выходных

переменных объекта управления, отражающие изменение свойств поверхностного

слоя как реакцию на ступенчатое воздействие питающего напряжения

электролизера. Выявлено, что при напряжениях на электролизере 250…350 В,

температуре электролита 70…90○С, времени обработки 15 мин и начальной

шероховатости поверхности 0,32…0,63 мкм:

- шероховатость поверхности достигает наименьшего значения Ra = 0,07

мкм при напряжении 250 В и температуре 70 ○С;

- наименьшее значение съѐма поверхностного слоя h = 9 мкм достигается

при напряжении 350 В и температуре 90 ○С.

Page 92: Mukaeva diss

92

Полученные данные показывают, что наилучшие условия по критерию

шероховатости соответствуют наихудшим по критерию толщины съема

поверхностного слоя (и наоборот), поэтому для достижения цели исследования

необходимо решение задачи оптимального управления.

Построены нейросетевые модели параметров передаточных функций:

A, τ, C,v и плотности тока δ. Установлено что в исследованном диапазоне

управляющих воздействий:

- максимальное снижение шероховатости А прямо пропорционально зависит

от начальной шероховатости;

- постоянная времени τ увеличивается с ростом напряжения, температуры и

начальной шероховатости;

- предельно достижимая шероховатость С увеличивается с ростом

начальной шероховатости и температуры;

- скорость съема поверхностного слоя v снижается с ростом напряжения и

температуры и начальной шероховатости. Зависимость скорости съема

поверхностного слоя от напряжения и температуры нелинейно из-за значимого

парного взаимодействия этих факторов;

- значение плотности тока δ линейно уменьшается с ростом напряжения и

температуры.

3. Экспериментально исследованы импедансные спектры процесса ЭПП,

показан емкостный характер комплексной проводимости, наличие резонансного

пика в области частот 400…500 Гц, и сдвиг фаз, близкий к 180 градусам в области

частот, меньших 250…400 Гц. Установлено наличие динамики модуля и

аргумента импеданса. Соответствие результатов применения двух независимых

методов для оценки импедансных спектров установил достоверность полученных

результатов.

Таким образом, на основе экспериментальных исследований установлены

взаимосвязи между свойствами поверхностного слоя, импедансными спектрами

процесса ЭПП и технологическими параметрами (напряжение на электролизере,

температура электролита, длительность обработки, начальная шероховатость),

позволяющие формализовать закономерности процесса ЭПП как объекта

управления и разработать метод оптимального управления.

Page 93: Mukaeva diss

93

3. УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ЭЛЕКТРОЛИТНО-

ПЛАЗМЕННОГО ПОЛИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ КОНТРОЛЯ

ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ПО ИМПЕДАНСНЫМ

СПЕКТРАМ

Постоянное повышение требований к качеству обработки ответственных

деталей машиностроения при условии сохранения или снижения себестоимости

производства диктует необходимость внедрения инновационных технологий, как

на базе новых технологических установок, так и на основе модернизации

существующих. Отличительной особенностью инновационных

электротехнологий обработки поверхности металлов и сплавов являются системы

управления технологическими процессами, оценивающие и прогнозирующие

состояние поверхности. Внедрение таких технологий или модернизация текущего

производства позволяет повысить технико-экономические показатели за счет

оптимизации энергопотребления, снижения доли брака из-за перетравливания

поверхности, своевременного определения степени выработки рабочего раствора,

учета других неопределенностей, снижающих качество и воспроизводимость

обработки.

В связи с этим назрела необходимость разработки автоматизированной

системы управления ТП ЭПП, выполняющей функции автоматизированного сбора

и анализа информации о процессе ЭПП, позволяющего накапливать

информативные данные о процессе, идентифицировать и прогнозировать

состояние поверхности в ходе обработки, рассчитывать и отрабатывать

траекторию изменения управляющих воздействий, выступать в качестве системы

поддержки принятия решения об окончании процесса оператором установки.

3.1 Разработка метода оптимального управления технологическим

процессом электролитно-плазменного полирования

3.1.1 Постановка задачи управления процессом ЭПП

Анализ современного состояния и известных подходов к автоматизации

процесса ЭПП, проведенный в главе 1, позволяет сформулировать задачу

Page 94: Mukaeva diss

94

управления, решаемую в данной работе. Задача управления заключается в

разработке метода оптимального управления, который обеспечивает эффективное

использование электрической энергии за счет оптимального управления

напряжением по рассчитанной траектории при электролитно-плазменном

полировании поверхности детали до заданной величины Ra при выполнении

ограничения по толщине съема поверхностного слоя h и определения момента

окончания процесса счет контроля шероховатости поверхности и толщины съема

поверхностного слоя по импедансным спектрами в ходе обработки.

Цель управления – снижение энергоемкости и уменьшение изменения

геометрических размеров деталей в ходе процесса электролитно-плазменного

полирования за счет разработки метода оптимального управления на основе

контроля шероховатости поверхности и толщины съема поверхностного слоя по

импедансным спектрам.

Объект управления – технологический процесс электролитно-плазменного

полирования.

Анализ способов косвенного измерения шероховатости поверхности Ra,

описанных в параграфе 3.3, и результатов исследования характеристик процесса

ЭПП как объекта управления, приведенных в главе 2, позволяет разработать

автоматизированную систему оптимального управления ТП ЭПП для решения

поставленной задачи.

3.1.2 Разработка структурной схемы системы управления ТП ЭПП

На рисунке 3.1 показана структурная схема системы оптимального

управления ТП ЭПП на основе контроля шероховатости поверхности и толщины

съема поверхностного слоя по импедансным спектрам. Рассматриваемая система

управления использует контур косвенного измерения свойств поверхности для

определения момента окончания процесса ЭПП и выдачи оператору установки

сигнала о рекомендуемом окончании технологического процесса. Оптимальное

управление напряжением осуществляется по траектории, рассчитанной исходя из

начальных условий и целевых свойств поверхности.

Page 95: Mukaeva diss

95

Система содержит управляющую ЭВМ и установку для ЭПП (рисунок 3.1).

Управляющая ЭВМ содержит задающее устройство, блок сравнения, блок расчета

оптимальной траектории управляющего напряжения, блок расчета импедансных

спектров и блок расчета свойств поверхности, таких как шероховатость Ra и

толщина съема поверхностного слоя h. Расчет свойств поверхности проводится с

помощью диагностической нейросетевой модели по оценкам импедансных

спектров, как показано в п. 3.3.1, или по модели объекта управления с учетом

текущих значений плотности тока и напряжения, как описано в п.3.3.2. Оценка

частотных характеристик проводится по методике, описанной в п. 3.3.1.1.

Установка для ЭПП содержит источник питания, пульт управления, блок

датчиков для измерения мгновенных значений тока, напряжения и температуры,

регулятор температуры. Для воздействия на технологический процесс ЭПП

импульсами переменной частоты разработан импульсный блок спектральной

диагностики (ИБСД), опытный образец которого описан в пп. 4.1.3 и 4.3.2.

Электролизер представляет собой ванну, заполненную электролитом, в которую

помещается обрабатываемая деталь.

Последовательность операций при управления ТП ЭПП с помощью

разработанной автоматизированной системы может быть описана алгоритмом,

представленным на рисунке 3.2. На первом этапе в задающее устройство

вводятся технологические параметры - температура электролита T, начальная

шероховатость Ra0 и площадь поверхности образца; целевые значения свойств

поверхности – целевая шероховатость Raц и допустимая толщина съема

поверхностного слоя hд; максимальное время обработки tmax и шаг по времени Δt.

Затем блок расчета траектории управляющего напряжения рассчитывает

траекторию U[n], где n – это дискретное время с интервалом Ts.

После запуска оператором установки напряжение на электролизере

регулируется согласно рассчитанной траектории. В ходе обработки с помощью

контура обратной связи определяются текущие значения Ra и h по косвенным

показателям, описанным в п. 3.3.1 и п. 3.3.2.

Page 96: Mukaeva diss

96

Рисунок 3.1 - Структурная схема автоматизированной системы оптимального управления ТП ЭПП на основе

контроля шероховатости поверхности по импедансным спектрам

U[n]

Задающее

устройство

Установка ЭПП

i,u

T

Регулятор

температуры

U

Вкл/

Выкл

Источник

напряжения

Импульсный

блок

спектральной

диагностики

Пульт

управления

Блок

датчиков

ε2 Электролизер

Управляющая ЭВМ

G(f)

θ(f)

АЦП

Блок расчета

импедансного

спектра

Блок расчета

Ra, h

Ra h

ε1 Оператор

Дисплей

i[η],u[η]

Raц

Пуск

Стоп

ε1

Блок

расчета

траектории

напряжения

Ra0, S

hдоп

G(tn,fm)

θ(tn,fm)

Page 97: Mukaeva diss

97

Рисунок 3.2 - Алгоритм управления технологическим процессом ЭПП

Контур контроля Ra и h включает в себя блок датчиков, аналого-цифровой

преобразователь (АЦП), блок расчета импедансных спектров и блок расчета Ra и

h. Устройство сравнения сравнивает текущее и заданное значение h, оповещая

оператора о результатах с помощью дисплея. По достижении требуемой Ra

оператор останавливает процесс ЭПП, что является завершающим действием

алгоритма управления.

Таким образом, разработан подход к оптимальному управлению, который

может обеспечить минимальное энергопотребление при электролитно-

плазменном полировании поверхности детали до заданной величины Ra при

выполнении ограничения по толщине съема поверхностного слоя h за счет

управления напряжением по предварительно рассчитанной оптимальной

траектории, контроля шероховатости поверхности и толщины съема

поверхностного в ходе ЭПП и определения момента окончания процесса при

достижении заданной Ra.

Да Да

Нет

Задать технологические параметры (T, Ra0, S),

целевые значения (Raц, hд),

максимальное время обработки tmax и шаг по времени Ts

Начало

Рассчитать траекторию управления напряжением U[n]

Запустить процесс ЭПП

Измерить Ra и h

Ra<Raц

Остановить процесс ЭПП

Конец

n = 0

n Ts > tmax

n = n+1

Нет

Page 98: Mukaeva diss

98

3.2 Расчет оптимальной траектории управления напряжением в ходе

процесса электролитно-плазменного полирования

Главными требованиями к результату полирования поверхности детали

являются достижение целевого значения шероховатости поверхности Raц и

выполнения ограничения по толщине съема поверхностного слоя hд. Проведено

исследование возможностей технологической системы ЭПП достигать целевых

свойств поверхности при минимизации энергоемкости Q. Анализируя модель

процесса ЭПП как объекта управления, рассмотренную в п. 2.2.2, были выявлены

технологические параметры: напряжение на электролизере U и температура

электролита T, являющиеся управляющими воздействиями для процесса ЭПП.

Варьирование управляющих воздействий значительно влияет на ход процесса

ЭПП. Так как технологические установки ЭПП имеют значительную

инерционность к изменению температуры электролита, то регулирование

процесса по этому параметру затруднительно. Поэтому разработана система

поиска оптимальной траектории регулирования напряжения U в дискретном

времени n с интервалом дискретизации Ts = 1 мин. при температуре электролита

T, стабилизируемой на постоянном уровне. Для построения системы применялся

метод решения обратной задачи математического моделирования

технологических процессов [134], согласно которому моделировалось

управляющее воздействие, приводящее к требуемым траекториям изменения

параметров Ra, h и энергоемкости Q. Также при расчете использовались

эталонные модели объекта управления, описанные в п. 2.2, и методы линейного

математического программирования [135, 136].

Таким образом, ниже представлено решение задачи оптимального

управления ТП ЭПП по эталонным моделям объекта управления, в виде

траектории изменения напряжения U для достижения Raц и выполнения

ограничения по hд. Для построения системы управления за оптимальный режим

обработки принята траектория изменения напряжения, приводящая к наименьшей

энергоемкости:

Page 99: Mukaeva diss

99

S

UtQ , кВт*ч/дм

2 (3.1)

где δ – плотность тока,

U – напряжение на электролизере,

t – время обработки,

S – площадь обрабатываемой поверхности.

3.2.1 Алгоритм расчета оптимальной траектории управляющего

напряжения по эталонным моделям объекта управления

Траектория оптимального управления напряжением Uk[n] выбирается из K

траекторий, так, чтобы обеспечить минимальное энергопотребление Qk :

Uk [n]: {(Qk→min)∩(Rak<Raц)∩(hk<hд)}, (3.2)

где n – дискретное время, k – номер траектории управляющего напряжения.

Для каждого k = 1 … K рассчитывается траектория Uk[n], соответствующая

минимуму целевой функции линейного математического программирования Fk[n]

на каждом шаге дискретного времени n:

Uk[n]: {Fk[n]→min}. (3.3)

Целевая функции линейного программирования F имеет вид:

Fk[n] = C1Ra[n]+С2kh[n], (3.4)

где текущие значения Rak[n] и hk[n] определяются с помощью модели

объекта управления:

(Rak[n], hk[n]) = f(Rak[n-1], h[n-1], U[n], Ra0, T), (3.5)

коэффициент оптимизации С1=1, а значение коэффициента С2k определяет

форму траектории Uk[n] и ищется в заданной области значений. Значения

управляющих воздействий лежат в диапазонах: U = 250…350 В, T = 70 … 90 ○C,

Ra0 = 0,32 … 0,63 мкм.

Для расчета траектории управляющего напряжения необходимы данные о

целевых значениях Raц и hд и свойства детали – начальная шероховатость

поверхности Ra0 и площадь поверхности S. Выбор целевых значений может

осуществляться в диапазонах, ограниченных возможностями этого вида

обработки.

Page 100: Mukaeva diss

100

Рисунок 3.3 – Возможные соотношения значения шероховатости поверхности Ra

и толщины съема поверхностного слоя h в ходе ЭПП

Например, при ЭПП можно получить значения шероховатости до 0,05 мкм,

но снизить шероховатость поверхности по сравнению с начальной не более, чем

на 2-3 класса. Пример диапазона выбора целевых параметров показан

на рисунке 3.3.

Процесс ЭПП не обладает свойством полной управляемости, согласно

которому объект управления должен быть управляем относительно любого

заданного конечного состояния. Управляющее воздействие U ограничено,

поэтому процесс ЭПП управляем относительно допустимых значений

управляющего сигнала [137]. На рисунке 3.3 показаны области рекомендуемых

соотношений конечных состояний целевых значений Ra и h при Ra0 = 0,32; 0,4;

0,5 и 0,63 мкм. Нижняя граница указанных областей соответствует

минимальному значению целевой функции, описанной формулой (3.4).

Соотношения целевых значений Raц и hд, превышающие верхнюю границу

областей, не рациональны для расчета траектории управления напряжением.

Расчет траектории управления напряжением выполняется с применением

методов линейного программирования [138] и оптимизации программы

управления методом золотого сечения [139], которые представлены на рисунках

3.4 и 3.5 соответственно. Алгоритмы реализованы в среде программирования

MATLAB [140].

h, мкм(логарифмическая шкала)

Ra, мкм

Page 101: Mukaeva diss

101

Работа алгоритма расчета траектории управления напряжением методом

линейного программирования осуществляется в следующей последовательности:

1. Вводятся начальные условия, к которым относятся:

- начальная шероховатость Ra0;

- температура электролита Т;

- минимальное и максимальное значения управляющего напряжения

источника питания электролизера Umin и Umax, которые будут использоваться для

ТП ЭПП;

- значение напряжения источника питания электролизера в начальный

момент времени обработки при погружении детали в электролит;

- целевая шероховатость Raц ;

- допустимое значение толщины съема поверхностного слоя hд;

- период дискретизации траектории управления напряжением Ts;

- максимальное время обработки tmax;

- параметр C2 функции (3.4), который определяется целями оптимизации и

может выставляться экспертами. Расчет C2 для поставленных выше задач

осуществляется алгоритмом оптимизации программы управления (рис 3.5)

- параметр C1 функции (3.4). Для расчета траектории управления

напряжением важно соотношение параметров C1 и C2, поэтому для проведения

расчета C2 значение C1 = 1.

2. Рассчитываются значения Ra1, h1 по формулам 2.6-2.7 с использованием

нейронных сетей и энергоемкости Q1 по формуле 3.1 на начальном этапе

обработки за время Ts.

3. На каждом отсчете n дискретного времени выполняется:

- расчет значений Ran, hn по модели объекта управления, описанной в п. 2.2.

- вычисление значения функции (3.4) и определения значения напряжения

Un, соответствующего минимальному значению функции (3.4).

- расчет энергоемкости Qn.

4. Расчет значений Ran, hn сопровождается проверкой достижения значений

Raц и hд.

Page 102: Mukaeva diss

102

5. При достижении Ran значения Raц и выполнении условия hn < hд

полученная траектория управления напряжением является успешной. Время

обработки tобр завершается. Производится запись результатов расчетов. Алгоритм

завершается.

6. При обнаружении отклонений от технического задания на обработку,

таких как hn < hд или n· Ts > tmax выводится ошибка, и алгоритм завершается.

Работа алгоритма оптимизации программы управления методом золотого

сечения, показанного на рисунке 3.5 осуществляется в следующей

последовательности:

1. Вводятся начальные данные, к которым относятся:

- α0 , минимальное значение параметра С2;

- β0 , максимальное значение параметра С2;

- допустимая абсолютная погрешность ΔС2 определения параметра С2.

2. На каждой n итерации отрезок [αn, βn] делится двумя симметричными

относительно его центра точками и рассчитываются значения энергоемкости Qnα

и Qnβ в этих точках.

3. Исключается конец отрезка, к которому ближе оказалась точка, значение

Qn в которой больше. Оставшиеся точки становятся границами отрезка [αn, βn].

4. Процедура продолжается до тех пор, пока не достигается заданная

точность ΔС2.

5. Параметр С2 = 0,5·(αn+βn).

Оптимальное по энергоемкости значение параметра С2 нелинейно

изменяется в зависимости от температуры электролита Т, начальной

шероховатости Ra0 и целевых параметров Raц и hд. На рисунке 3.6 приведены

графики зависимости оптимального по энергоемкости значения параметра С2 от

начальной шероховатости Ra0 и температуры Т.

Page 103: Mukaeva diss

103

Рисунок 3.4 – Алгоритм расчета траектории управления напряжением методом

линейного программирования

TS

TS

TS

TS

TS

TS

TS

TS

TS

TS

Page 104: Mukaeva diss

104

Рисунок 3.5 - Алгоритм оптимизации программы управления

методом золотого сечения

α0

αn

αn αn-1

αn-1 αn-1

αn αn

αn αn αn-1 αn

βn

βn

βn

βn

βn βn βn

βn-1

βn-1

βn-1

βn-1

β0

Page 105: Mukaeva diss

105

а) б)

Рисунок 3.6 - Зависимость оптимизированного по энергоемкости параметра

С2 от начальной шероховатости Ra0 и температуры Т при целевых значениях:

а) Raц= 0,15 мкм, hд< 18 мкм; б) Raц= 0,2 мкм, hд< 13 мкм

Рисунок 3.7 - Динамика целевой функции F

при постоянном напряжении U = 250 B (--), U = 300 B (─), U = 350 B (▬)

для T=80○C, Ra0=0,32 мкм и С2 = 100

Page 106: Mukaeva diss

106

Рисунок 3.8 - Допустимая область значений U[n]

На рисунке 3.7 приведен пример целевой функции (3.4) при напряжениях

напряжении U = 250 … 350 B для T = 80○C, Ra0 = 0,32 мкм и С2 = 100. Алгоритм

расчета траектории управления на каждом отрезке времени определяет

напряжение, соответствующее наименьшему значению этой функции. В данном

случае меньшему значению функции F за время t1 = 6 мин от начала обработки

соответствует напряжение U = 250 В, а на последующем этапе обработки

U = 350 В.

Допустимая область значений U[n] ограничена прямыми линиями,

соответствующими рабочему участку ВАХ и возможностями технологической

установки ЭПП. Так как все исследованные отклики монотонно изменяются в

допустимой области значения U[n], то оптимальная точка не может быть

внутренней и располагается на границе [141].

3.2.2 Результаты работы алгоритма расчета оптимальной траектории

управляющего напряжения технологическим процессом ЭПП

В таблице 3.1 приведены примеры результатов работы алгоритма расчета

оптимальной траектории управления для детали с начальной шероховатостью Ra0

и целевыми значениями Raц = 0,15 мкм и hд = 18 мкм. Напряжение в

рассмотренных случаях изменяется для обеспечения наименьшей энергоемкости в

Page 107: Mukaeva diss

107

2-3 этапа. В таблице указаны длительности каждого этапа t1, t2, t3. За t1 –

длительность поддержания напряжения U0, установленного в начальный момент

времени. В представленных примерах значение U0 соответствует центральной

точке рабочего диапазона напряжений. t2 – следующий за t1 интервал времени,

соответствует времени поддержания напряжения 250 В. t3 - следующий за t2

интервал времени, соответствует времени поддержания напряжения 350 В.

Общее время обработки составляет:

tобр = t1+ t2 + t3. (3.6)

На рисунках 3.9, 3.10, 3.11 смоделированы различные режимы

управляющего напряжения в зависимости от целей оптимизации и ограничений,

показывающие возможности ЭПП с системой оптимального управления по

напряжению и без управления. Также приведены сравнительные графики

траектории снижения шероховатости Ra, возрастания толщины съема

поверхностного слоя h и энергоемкости Q.

На рисунке 3.9 приведен пример, показывающий, что по сравнению с

режимом ЭПП без управления, благодаря изменению управляющего напряжения

достигается меньшая толщина съема поверхностного слоя h при равных

значениях энергоемкости Q и шероховатости поверхности Ra.

Таблица 3.1

Пример программы оптимального управления ТП ЭПП для поверхности с

начальной шероховатостью Ra0 и целевыми значениями Raц =0,15 мкм и

hд = 18 мкм

№ Ra0,

мкм T,

○С

t1, мин

U0 = 300 В

t2, мин

U1 = 250 В

t3, мин

U3 = 350 В

tобр,

мин

Выигрыш

Q, %

Выигрыш

h, %

1 0,32 90 1 5 0 6 9 -

2 0,50 70 1 6 2 9 11 -

3 0,63 70 1 0 17 18 - 31

4 0,63 80 1 5 15 21 - 14

Page 108: Mukaeva diss

108

На рисунке 3.10 показана траектория снижения энергоемкости Q по

сравнению с режимом ЭПП без управления, с выигрышем на 11 %. При этом

значение h увеличивается, но не выходит за допустимые пределы.

На рисунке 3.11 приведен пример режима обработки с управлением

напряжением, который позволяет снизить значение h на 34 %.

Таким образом, разработан алгоритм расчета оптимальной траектории

управляющего напряжения, обеспечивающей минимальное энергопотребление

для достижения целевой шероховатости и выполнения ограничения по

допустимой толщине съема поверхностного слоя при постоянной температуре

электролита за конечное время на основе модели объекта управления с

применением методов математического программирования.

Рисунок 3.9 – Траектория управляющего напряжения U (в)

для детали с Ra0 = 0,63 мкм при T = 80 oC, Raц = 0,15 мкм, hд < 18 мкм:

( ) - поддерживается постоянной в центре рабочего диапазона напряжения,

( ) - рассчитана с применением методов математического программирования

и соответствующие им изменения технологических параметров Ra (а); h (б); Q (г)

t3

t2

t1

t, мин а

t, мин б

t, мин в

t, мин г

Ra, м

км

h, м

км

U, B

Q, кВ

тч/д

м2

Page 109: Mukaeva diss

109

Рисунок 3.10 - Траектория управляющего напряжения U (в)

для детали с Ra0 = 0,5 мкм при T = 70 oC, Raц = 0,15 мкм, hд < 18 мкм:

( ) - поддерживается постоянной в центре рабочего диапазона напряжения,

( ) - рассчитана с применением методов математического программирования

и соответствующие им изменения технологических параметров Ra (а); h (б); Q (г)

Рисунок 3.11 - Траектория управляющего напряжения U (в)

для детали с Ra0 = 0,63 мкм при T = 70 oC, Raц = 0,15 мкм, hд < 18 мкм:

( ) - поддерживается постоянной в центре рабочего диапазона напряжения,

( ) - рассчитана с применением методов математического программирования

и соответствующие им изменения технологических параметров Ra (а); h (б); Q (г)

t1

t2

t, мин а

t, мин б

t, мин в

t, мин г

Ra, м

км

h, м

км

U, B

Q,

кВ

тч/д

м2

t3

t1

t, мин а

t, мин б

t, мин в

t, мин г

Ra, м

км

h, м

км

U, B

h, м

км

Page 110: Mukaeva diss

110

3.3 Контроль шероховатости поверхности в ходе процесса

электролитно-плазменного полирования

3.3.1 Контроль шероховатости поверхности по импедансным спектрам

В результате обзора научных работ в области автоматизации процесса ЭПП,

приведенного в главе 1, установлено, что в настоящее время отсутствуют

автоматизированные системы управления ЭПП с контурами контроля

шероховатости поверхности. Анализ известных систем управления процессами

электролитно-плазменной обработки, рассмотренных в п. 1.2, а также способов

контроля шероховатости поверхности Ra по импедансным спектрам,

разработанных в п. 3.3, позволяет разрабатывать структурные схемы систем

управления ТП ЭПП.

В данных исследованиях впервые применен метод активной идентификации

с использованием импедансных спектров для процессов ЭПО, в которых

превалирует парогазовая оболочка.

Импедансная спектроскопия, или оценка частотных характеристик, является

разновидностью методов активной идентификации, который требует разработки

специального аппаратного и программного обеспечения для реализации

воздействия на технологический процесс сигналами переменной частоты

[142, 143].

3.3.1.1 Методика расчета оценок импедансных спектров процесса ЭПП

Импедансный подход на основе частотных характеристик (ЧХ) часто

используется в установившемся режиме для описания реакции системы на

синусоидальное воздействие [144]. Однако установившийся режим требует

бесконечного времени для проведения анализа, что нереализуемо на практике.

Следовательно, под частотной характеристикой в данной работе будем понимать

мгновенную (в момент времени t) оценку

)(

),(ˆ),(ˆ

jX

jtYjtH (3.7)

предельной частотной характеристики

Page 111: Mukaeva diss

111

)(

)()(

jX

jYjH , (3.8)

где 1j , =2πf – круговая частота, X(j ), Y(j ) – преобразования Фурье

входного x(t) и выходного y(t) сигналов соответственно:

dtetxjX tj)(2

1)( ,

dtetyjY tj)(2

1)( ,

(3.9)

а ),(ˆ jtY - практически доступная оценка Y(j )

deyadeyjtY j

Tt

Tt

j )()(2

1)(

2

1),(ˆ

2/

2/

и

и

, (3.10)

где a(t) - эффективное временное окно,

Tи – время измерения.

Функция окна a(t) центрирована вокруг момента измерения t, и она не равна

нулю только в пределах t±Tи/2.

Для линейных инвариантных во времени (или стационарных) систем

нахождение предела (3.10) приближает оценку ),(ˆ jtH к предельной )( jH :

),(ˆlim)( jtHjHt

. (3.11)

Процесс ЭПП является нелинейной изменяющейся во времени системой,

но можно выделить интервалы времени эргодичности T*, в течение которых

систему можно рассматривать как инвариантную и усреднять мгновенные оценки

частотных характеристик. В результате процесс электролитно-плазменной

обработки может быть представлен как кусочно-линейная инвариантная во

времени система на каждом интервале времени эргодичности.

Для оценки импедансных спектров процесса ЭПП был выбран прямой

метод гармонического анализа, который предполагает приложение к системе

тестового сигнала на каждой исследуемой частоте ω=2πf [145]. В работе в

Page 112: Mukaeva diss

112

качестве тестового сигнала x(t) использовалось напряжение u(t). Исследования

проводились в режиме и малого сигнала, т.е. когда амплитуда варьируемого

напряжения было намного меньше постоянного питающего напряжения.

Ток электролизера i(t) использовался в качестве сигнала-отклика y(t).

Подстановка данных переменных в определение (3.7) показывает, что получаемая

характеристика имеет физический смысл комплексной проводимости

электролизера:

),(ˆ

),(ˆ),(ˆ

jtU

jtIjtG , (3.12)

где ),(ˆ jtI и ),(ˆ jtU - оценки преобразования Фурье тестового сигнала

и сигнала-отклика (3.10) для тока и напряжения соответственно.

),(ˆ),(ˆ),(ˆ tjetGjtG , (3.13)

Для реализации гармонического анализа требуется развертка тестового

сигнала по частоте в исследуемом диапазоне от f1 до f2, например

и1 )2

1( Tntf n , n = 1, 2…N, (3.14)

для линейной развертки со скоростью β1, или

и2 )2

1()log( Tntf n , n = 1, 2…N, (3.15)

для логарифмической развертки со скоростью β2.

Далее сигналам u(t) и i(t) ставятся в соответствие эквивалентные синусоиды

с равным значением амплитуды и фазы. Эквивалентные синусоиды могут быть

получены двумя способами: с применением полосовых фильтров и используя

алгоритмы БПФ.

Для получения эквивалентных синусоид ),(ˆ mntU , ),(ˆ mntI первым

способом используется K полосовых фильтров с КЧХ Wm(j ) и полосой

пропускания, центрированной относительно каждой исследуемой частоты.

Выражение комплексной проводимости электролизера запишется в виде:

Page 113: Mukaeva diss

113

),(ˆ

),(ˆ

),(ˆ),(ˆ mntj

mn

mnmn e

tU

tIjtG ,

m = 1, 2…M, n=1, 2…N

(3.16)

где ),(ˆ mntI и ),(ˆ mntU - оценки действующих значений амплитуд

эквивалентных синусоид сигналов тока и напряжения, а ),(ˆ mnt - оценки

сдвига фаз между эквивалентными синусоидами сигналов тока и напряжения, в

момент времени tm и для центральной частоты k.

Использовались фильтры с конечной импульсной характеристикой (КИХ)

[146, 147]. Такие фильтры имеют выходной сигнал y[η], рассчитываемый по

входному x[η] в соответствии с разностным уравнением:

y[η] = b0 x[η] + b1 x[η – 1] + ... + bB x[η – B], (3.17)

где n – дискретное время, b0…bB – коэффициенты фильтра, B – порядок

фильтра.

Коэффициенты фильтра были получены методом Кайзера так, чтобы в

полосе заграждения иметь затухание минимум 40 дБ, а в полосе пропускания –

линейную фазу. Пример АЧХ и ФЧХ полосового фильтра приведен

на рисунке 3.12.

Рисунок 3.12 - Характеристики полосового КИХ фильтра для частоты 719 Гц

Page 114: Mukaeva diss

114

Для минимальных фазовых искажений применялся способ двойного

прогона сигнала через фильтр – сначала сигнал пропускался через него в прямом

направлении, как в уравнении (3.17), затем отфильтрованный сигнал

разворачивался в обратном направлении и опять пропускался через фильтр. В

результате применения такого способа получается двойное затухание в полосе

заграждения и нулевое искажение фазы сигнала.

Для получения эквивалентных синусоид ),(ˆ mntU , ),(ˆ mntI вторым

способом, разработанном соискателем и представленном в статье [133], сигналы

u(t) и i(t) подвергались БПФ в каждом измерительном кадре согласно формулам

(3.19, 3.18). В результате преобразования, в кадре определяется частота,

спектральная линия которой имеет наибольшее значение, амплитуды сигналов

u(t) и i(t) и сдвиг фаз между ними.

/))1()1(2(

1

][),( mjmn eiftI (3.18)

/))1()1(2(

1

][),( mjmn euftU

M = 1, 2…M

(3.19)

Для расчета импедансных спектров процесса ЭПО блоки данных Sb были

разделены на группы, содержащие одну частоту прикладываемых импульсов fm.

Исходному сигналу сопоставлялись эквивалентные синусоиды. Определение

амплитуды и фазы эквивалентных синусоид, а также выделение частоты в

сохраненном блоке данных Sb осуществлялось двумя независимыми методами: с

помощью фильтрования исходного сигнала и с использованием алгоритмом

быстрого преобразования Фурье. Способ расчета частот в измерительных кадрах

показан в работе [148].

Далее проводился расчет и усреднение мгновенных значений аргумента

(разности фаз между током и напряжением) θ и модуля (удельной проводимости)

G в течение 10 мин обработки на каждой ступени частоты fm.

Page 115: Mukaeva diss

115

Расчет аргумента θ и модуля G оценки импедансного спектра для каждого

блока данных осуществлялся по формулам:

ui , SU

IG

(3.20)

где ψi и ψu – начальные фазы тока i и напряжения u; I, U – действующие

значения тока и напряжения; S – рабочая площадь образца.

Параметры θ и G представляют собой составляющие комплексной

проводимости[126]:

....2 ,1 ,),(

),(),( Mm

tU

tIftG

mn

mnmn , (3.21)

где tn – отсчет дискретного времени.

На рисунке 3.13 показан пример изменения во времени изменения

проводимости G на частоте 258 Гц при температуре 70 ○С и напряжении 300 В и

динамика изменения шероховатости поверхности Ra при тех же условиях.

Наблюдается закономерное уменьшение значений указанных параметров во

времени, но зависимость на различных частотах проявляется по-разному, поэтому

диагностика Ra осуществляется с помощью нейросетевой модели на всех

незашумленных частотах, как показано в п. 3.3.1.

Рисунок 3.13 – Динамика изменения проводимости на частоте 258 Гц (а);

динамика изменения шероховатости Ra (б)

t, мин

t, мин

а б

Page 116: Mukaeva diss

116

3.3.1.2 Расчет шероховатости поверхности и толщины съема

поверхностного слоя по импедансным спектрам

Косвенные измерения Ra и h по импедансным спектрам осуществляются с

использованием нейронной сети. На вход нейронной сети подаются значения

оценок импедансных спектров электрического сигнала и плотности тока,

выходным сигналом нейронной сети являются значения Ra и h. Применялась

обобщенно-регрессионная радиальная базисная нейронная сеть, структура

которой приведена на рисунке 3.14. Параметры нейросети представлены в

таблице 3.2. В таблице также указан коэффициент детерминации R2 для оценки

результатов работы нейросети с данными не участвовавшими в обучении по

отношению к результатам расчета Ra и h с использованием моделей объекта

управления, доказательства достоверности которых приведены в главе 2.2. Выбор

числа нейронов осуществлялся на основе анализа коэффициента детерминации

R2. Из графиков, приведенных на рисунке 3.15 можно определить оптимальное по

точности и сложности НС2 число нейронов. Адекватность диагностической

нейросетевой модели оценивалась по величине R2 для данных, не участвовавших

в обучении нейросети. Высокие значения R2, приведенные в таблице 3.2,

свидетельствуют об адекватности диагностической модели.

Расчет импедансных спектров по мгновенным значениям тока и напряжения

проводится по методике, описанной в пункте 3.3.1.1. Плотность тока

рассчитывается по формуле (2.3). Масштабированные значения оценок

импедансных спектров, выраженных через модуль G и аргумент θ, подаются на

вход нейросети. Выходными значениями нейросети являются Ra и h.

Таблица 3.2

Характеристики нейросетевой модели НС2

Выход Spread Число

нейронов в

скрытом слое

Число слоев R2

Ra 0,05 370 2

0,98

h 0,96

Page 117: Mukaeva diss

117

Рисунок 3.14 – Структура диагностической нейросетевой модели НС2 контроля

Ra и h по импедансным спектрам

а б

Рисунок 3.15 – Зависимость коэффициента детерминации R2 от числа

нейронов в скрытом слое нейросети НС2

В таблице 3.3 представлены графики Ra(t) и h(t), полученные с помощью

эталонной модели объекта управления (п. 2.2) и по импедансным спектрам с

использованием нейросетей при различных управляющих воздействиях

напряжения U и температуры Т.

Page 118: Mukaeva diss

118

Таблица 3.3 Графики Ra(t) и h(t), полученные по импедансным спектрам Ra (▲) и h (□)

и по модели объекта управления (──) при различных напряжениях U и температурах Т

T=70○C T=80

○C T=90

○C

U=

250

В

U=

250

В

U=

250

В

0

4

8

12

16

20

0

0,08

0,16

0,24

0,32

0,4

0 2 4 6 8 10

h,

мкмRa,

мкм

t, мин

048121620

00,080,160,240,320,4

0 2 4 6 8 10

h,

мкмRa,

мкм

t, мин

0

4

8

12

16

20

0

0,08

0,16

0,24

0,32

0,4

0 2 4 6 8 10

h,

мкмRa,

мкм

t, мин

0

4

8

12

16

20

0

0,08

0,16

0,24

0,32

0,4

0 2 4 6 8 10

h,

мкм

Ra,

мкм

t, мин

0

4

8

12

16

20

0

0,08

0,16

0,24

0,32

0,4

0 2 4 6 8 10

h,

мкм

Ra,

мкм

t, мин

0

4

8

12

16

20

0

0,08

0,16

0,24

0,32

0,4

0 2 4 6 8 10

h,

мкм

Ra,

мкм

t, мин

0

4

8

12

16

20

0

0,08

0,16

0,24

0,32

0,4

0 2 4 6 8 10

h,

мкмRa,

мкм

t, мин

0

4

8

12

16

20

0

0,08

0,16

0,24

0,32

0,4

0 2 4 6 8 10

h,

мкмRa,

мкм

t, мин

0

4

8

12

16

20

0

0,08

0,16

0,24

0,32

0,4

0 2 4 6 8 10

h,

мкмRa,

мкм

t, мин

Page 119: Mukaeva diss

119

3.3.2 Контроль шероховатости поверхности по модели объекта

управления

Способ разработан на основе экспериментальных исследований, описанных

в п. 2.1, и построенной модели объекта управления, показанной

в п. 2.2, с учетом текущих измерений напряжения и тока.

При определении шероховатости Ra по данному способу измеряют

значения средней анодной плотности тока δ и напряжения на электролизере U.

Шероховатость поверхности в ходе обработки находят по формуле:

)),/(exp()( 2100 UbbtCRaCRa (3.22)

где C – минимально достижимая для используемого электролита

шероховатость поверхности; Ra0 – начальное значение шероховатости

поверхности обрабатываемой детали; t – время; δ – плотность тока; U –

напряжение; η0 –среднее значение постоянной времени; b1, b2 – коэффициенты

пропорциональности, зависящие от материала детали, природы и концентрации

электролита. Величины η0, b1 и b2 вычисляют по семейству тарировочных кривых

зависимости постоянной времени снижения шероховатости от напряжения U и

плотности тока δ. Способ защищен патентом РФ [73]. В этом способе соискателем

предложена и экспериментально обоснована аналитическая зависимость (3.22).

Закономерность изменения шероховатости Ra, показанная на рисунке 3.16,

имеет экспоненциальный характер и объясняется уменьшением степени

воздействия парогазовой оболочки на обрабатываемую поверхность при

сглаживании микронеровностей, что приводит к снижению скорости изменения

шероховатости. Скорость снижения шероховатости по экспоненциальному закону

характеризуется постоянной времени τ, на которую влияет прикладываемое

высоковольтное напряжение U и характер воздействия парогазовой оболочки,

который отражается в значениях плотности тока δ.

Page 120: Mukaeva diss

120

Рисунок 3.16 - Закономерность изменения шероховатости Ra

Тарировочная кривая зависимости постоянной времени τ может быть

описана функцией вида:

η = η0 +k1δ+k2U, (3.23)

где t – время;

δ – плотность тока;

U – напряжение;

η0 – среднее значение постоянной времени.

Изменение напряжения U, связанное с нестабильностью напряжения

питающей сети, и изменение плотности тока δ, связанное с изменением

шероховатости, с нестабильностью температуры электролита и его концентрации,

а также с выработкой электролита, влияют на скорость электролитно-плазменной

обработки при ЭПП. Уравнение 3.23 учитывает указанные неопределенности и

позволяет измерять шероховатость поверхности электропроводных изделий,

например, из нержавеющей стали в процессе электролитно-плазменного

полирования.

Приведенный способ оперирует с электрическими величинами,

отражающими характеристики импедансных спектров на нулевой частоте.

Ra0

С

τ

Page 121: Mukaeva diss

121

Рисунок 3.17 - Тарировочная кривая зависимости постоянной времени τ от

напряжения U и плотности тока δ

Таблица 3.4

Результаты применения способа измерения шероховатости поверхности в

процессе ЭПП

U, B Время, t,

мин

Начальное

значение

шероховатости

Ra0, мкм

Плотность

тока

δ, А/см2

Рассчитанная

шероховатость

Ra, мкм

Измеренная

шероховатость

Ra, мкм

250 3 0,32 0,39 0,18±0,02 0,15±0,02

300 6 0,33 0,27 0,16±0,02 0,13±0,02

350 9 0,35 0,19 0,15±0,02 0,16±0,02

250 12 0,60 0,36 0,11±0,02 0,12±0,02

300 15 0,49 0,24 0,11±0,02 0,14±0,02

350 15 0,49 0,20 0,12±0,02 0,15±0,02

δ, A/см2

Page 122: Mukaeva diss

122

Рассмотрим пример конкретной реализации способа. Образцы из стали

20Х13 обрабатывали электролитно-плазменным методом в 5% растворе сульфата

аммония при различных начальных шероховатостях поверхности, напряжениях и

температурах электролита. Между поверхностью детали, являющейся анодом, и

катодом прикладывали высоковольтное напряжение, измеряли плотность тока δ и

высоковольтное напряжение U, а шероховатость в ходе обработки определяли по

формуле:

)),/(exp()( 2100 UbbtCRaCRa (3.24)

где С = 0,09 мкм.

При этом величины η0 = 0,072 мин; b1 = -5,296 мин ·

см2 · А

-1;

b2 = 0,0165 мин ·

В-1

вычисляли по семейству тарировочных кривых зависимости

постоянной времени снижения шероховатости от напряжения U и плотности тока

δ, показанному на рисунке 3.17. Шероховатость поверхности измерялась также

профилометром после обработки. Результаты приведены в таблице 3.4. Как видно

из таблицы, незначительное расхождение рассчитанной (6-ой столбец таблицы) и

измеренной (7-ой столбец таблицы) шероховатости свидетельствует о

применимости способа.

Таким образом, предложенный способ позволяет увеличить быстродействие

измерения шероховатости поверхности в процессе электролитно-плазменного

полирования, за счет исключения операции усреднения регистрируемых

электрических параметров в течение 20-40 с от начала процесса в соответствии с

прототипом [53]. Предлагаемый способ имеет простое техническое исполнение,

не требует прерывания процесса и обеспечивает высокую точность измерений.

Таким образом, разработаны способы контроля шероховатости поверхности

в ходе процесса ЭПП:

- по оценкам модуля и аргумента импедансных спектров в информативной

области частот с применением обобщенно-регрессионной нейронной сети;

- по модели объекта управления и текущим значениям средней плотности

тока и напряжения на электролизере.

Page 123: Mukaeva diss

123

Выводы по главе 3

1. Разработан метод оптимального управления, который обеспечивает

минимальное энергопотребление при электролитно-плазменном полировании

поверхности детали до заданной величины Ra при выполнении ограничения по

толщине съема поверхностного слоя h за счет управления напряжением по

предварительно рассчитанной оптимальной траектории, контроля шероховатости

поверхности и толщины съема поверхностного в ходе ЭПП и определения

момента окончания процесса при достижении заданной Ra.

2. В составе метода управления разработан алгоритм расчета

оптимальной траектории управляющего напряжения, обеспечивающей

минимальное энергопотребление для достижения целевой шероховатости и

выполнения ограничения по допустимой толщине съема поверхностного слоя при

постоянной температуре электролита за конечное время на основе модели объекта

управления с применением методов математического программирования.

3. В составе метода управления разработаны способы контроля

шероховатости поверхности в ходе процесса ЭПП:

- по оценкам модуля и аргумента импедансных спектров в информативной

области частот с применением обобщенно-регрессионной нейронной сети;

- по модели объекта управления и текущим значениям средней плотности

тока и напряжения на электролизере.

Page 124: Mukaeva diss

124

4. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА

ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ

ПРОЦЕССОМ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОГО

ПОЛИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ КОНТРОЛЯ ШЕРОХОВАТОСТИ

ПОВЕРХНОСТИ ПО ИМПЕДАНСНЫМ СПЕКТРАМ

В данной главе решается задача разработки и экспериментального

апробирования аппаратно-программного комплекса АСУ ТП ЭПП реализующий

метод оптимального управления процессом ЭПП на основе контроля

шероховатости поверхности и толщины съема поверхностного слоя по

импедансным спектрам, оценить эффективность предложенного метода.

4.1 Аппаратная часть автоматизированной системы оптимального

управления ТП ЭПП

В главе описана разработка аппаратных средств для проведения

импедансной спектроскопии и управления ТП ЭПП, которые выполняют задачи:

- обеспечения возможности оператора управлять технологическим

процессом;

- активного воздействия на процесс сканирующими частотами;

- сбора, обработки данных и расчета импедансных спектров.

Сбор данных о мгновенных значениях тока, напряжения и температуры

осуществляется с помощью платы NI PCI-6230, обработку данных и расчет

импедансных спектров выполняет программный комплекс, реализованный в среде

программирования LabVIEW [149]. Для воздействия на технологический процесс

ЭПП импульсами переменной частоты разработан импульсный блок

спектральной диагностики ИБСД-20 с управлением от персонального

компьютера. Для обеспечения оператора средствами управления технологическим

процессом ЭПП разработано автоматизированное рабочее место, позволяющее

задавать требуемый режим обработки и целевые свойства поверхности, следить за

ходом изменения технологических параметров и состоянием поверхности в ходе

обработки. Также разработан пульт управления в коррозионно-стойком

исполнении, расположенный на стенке электролизера.

Page 125: Mukaeva diss

125

Рисунок 4.1 - Схема взаимодействия основных блоков установки ЭПП с

компьютерным управлением

На рисунке 4.1 представлена схема взаимодействия основных блоков

установки электролитно-плазменного полирования с управлением от

промышленного компьютера и пульта управления. Организована система

передачи информации и управляющих сигналов между устройствами

автоматизированной системы управления процессом ЭПП по интерфейсу

RS-232(485).

4.1.1 Автоматизированное рабочее место оператора

Основными устройствами, обеспечивающими взаимодействие оператора с

технологической установкой являются управляющий компьютер и пульт

управления. Управляющий компьютер (УК) расположен в операторной будке,

смонтирован в стойку 19‖ и снабжен программным обеспечением для реализации

АСУ ТП ЭПП. УК позволяет оператору выполнять следующие операции

управления:

1) задание режима обработки детали, установление рабочей

температуры;

2) расчет оптимальной траектории изменения напряжения;

Пульт

Стойка 19''

(Управляющий

компьютер,

блоки питания)

Ванна -

электролизер

Холодильный

агрегат /

нагреватель

Page 126: Mukaeva diss

126

3) определение пороговых уровней значений параметров, пересечение

которых требует реакции со стороны систем регулирования, таких как система

охлаждения/нагрева, система стабилизации источника питания;

4) определение целевого параметра – шероховатости поверхности, при

достижении которого оператор получает сигнал и принимает решение об останове

технологического процесса.

Также УК выполняет:

1) регистрацию значений тока и напряжения с заданной частотой

дискретизации для диагностики ТП ЭПП;

2) расчет шероховатости поверхности и толщины съема поверхностного

слоя;

3) индикацию параметров тока, напряжения, температуры,

шероховатости поверхности и толщины съема поверхностного слоя;

4) передачу данных о величине тока и напряжения на выходе источника

питания на индикаторы пульта.

Пульт включает в себя: контроллеры-индикаторы температуры, тока,

напряжения, шероховатости поверхности и толщины съема поверхностного слоя;

кнопки запуска и останова; сигнализирующие световые индикаторы.

Пульт позволяет оператору выполнять операцию запуска и останова ТП

ЭПП, не заходя в операторную будку.

Также пульт выполняет:

1) цифровую индикацию параметров тока, напряжения, температуры,

шероховатости поверхности и толщины съема поверхностного слоя;

2) измерение значения температуры электролита в ванне-электролизере;

3) передачу данных о температуре в электролизере и о пересечении

пороговых уровней параметров процесса управляющему компьютеру;

4) передачу данных о превышении порогового уровня температуры

электролита холодильному агрегату или трубчатому электронагревателю для

включения системы охлаждения или нагрева ванны-электролизера;

5) световую индикацию о состоянии технологической установки;

Page 127: Mukaeva diss

127

6) сигнализацию с помощью сирены и светового индикатора о

достижении целевой шероховатости поверхности.

Источник напряжения электролизера расположен в операторной будке и

смонтирован в монтажный шкаф 19‖. Монтажный шкаф 19‖ представляет собой

конструкцию высотой 1850 мм. В шкафу размещается монитор, компьютер,

источники питания и импульсный блок спектральной диагностики.

4.1.2 Управляемые источники питания электролизера и импульсного

блока спектральной диагностики

На электроды технологической установки ЭПП от аппаратно-программного

комплекса подается сумма сигналов напряжения: постоянного напряжения для

обеспечения технологического процесса ЭПП и импульсного напряжения для

активной идентификации свойств поверхности на основе импедансной

спектроскопии. Для обеспечения постоянного напряжения на электролизере и

опорного напряжения для работы импульсного блока спектральной диагностики

ИБСД-20 используются программируемые источники питания TDK-Lambda

Genesys мощностью 2x10 кВт и 2,4 кВт соответственно.

Разработано программное обеспечение в среде LabVIEW, которое

обеспечивает настройку следующих параметров источников Genesys с помощью

последовательного порта RS232:

- выходное напряжение;

- выходной ток;

- включение/выключение выхода;

- настройка защиты от превышения тока и считывание настройки;

- настройка защиты от перенапряжения и считывание настройки;

- настройка защиты от недостаточного напряжения и считывание настройки.

- режим запуска источника питания (сохранение последних настроек или

безопасный режим).

Программируемые источники TDK-Lambda Genesys имеют систему

распределения тока и могут включаться параллельно для достижения мощности

до 60 кВт.

Page 128: Mukaeva diss

128

4.1.3 Импульсный блок спектральной диагностики в составе

автоматизированной установки ЭПП

Импульсный блок спектральной диагностики ИБСД-20 предназначен для

реализации метода активной идентификации на основе импедансной

спектроскопии электрохимических и электролитно-плазменных процессов в

режиме малого сигнала, описанного п. 2.3.1. Как указывалось выше, методология

спектрального метода диагностики свойств поверхности с использованием

прямоугольных тестовых сигналов основана на подходе электрохимической

импедансной спектроскопии [150]. Структурная схема импульсного блока

спектральной диагностики ИБСД в составе автоматизированной установки ЭПП

показана на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 - Структурная схема импульсного блока спектральной диагностики

ИБСД в составе автоматизированной установки ЭПП

Цифровой генератор

прямоугольных

импульсов

Источник Е1

Источник Е2

Модуль измерения

Модуль индикации

Управляющая ЭВМ

Модуль сопряжения

Силовая часть

Ванна-электролизер

Блок питания

Система контроля и

обеспечения

теплового баланса

Питающая сеть

Импульсный блок спектральной диагностики

Page 129: Mukaeva diss

129

Автоматизированная установка ЭПП содержит два источника: постоянного

напряжения E1 (Genesys 2х10 кВт, напряжение до 400 В), обеспечивающего

протекание процесса ЭПП в ванне электролизера и опорного напряжения блока

ИБСД-20 Е2 (Genesys 2,4 кВт, напряжение до 40 В) для проведения диагностики

процесса в режиме малого сигнала. Энергия источника Е1 беспрепятственно

проходит через силовую часть импульсного блока спектральной диагностики.

Напряжение источника Е2 подвергается импульсной модуляции и добавляется к

напряжению источника Е1.

Цифровой генератор прямоугольных импульсов предназначен для

коммутации на нагрузку источников напряжения и программируется управляющей

ЭВМ. Модулированное с помощью ИБСД напряжение и ток, определяемый

частотными свойствами нагрузки, передаются в систему сбора данных на основе

гальванически развязанной платы сбора данных NI PCI-6230. Управляющая ЭВМ

регистрирует значения тока, напряжения и температуры, полученных в модуле

измерения; выполняет алгоритмы оценки частотных характеристик; регулирует

частоту диагностирующих импульсов и длительность воздействия каждой частотой

на электролизер; устанавливает значение выходного напряжения Е1.

4.1.4 Силовая часть импульсного блока спектральной диагностики

Схема силовой части импульсного блока показана на рисунке 4.3. Данная

схема имеет два источника питания: E1 – основной источник питания

технологического процесса и E2 – источник питания для осуществления

диагностики. К клеммам ANOD и CATHOD подключаются соответствующие

электроды ванны-электролизера. Схематически основные компоненты силовой

части импульсного блока показаны в четырехполюснике, имеющем контакты «+»,

«–», «А», «К». Также показан драйвер силового ключа из модуля сопряжения.

Page 130: Mukaeva diss

130

Рисунок 4.3 - Схема включения силовой части импульсного блока спектральной

диагностики

По сигналу с управляющего микроконтроллера драйвер открывает или

закрывает силовой ключ – полевой транзистор с заданной частотой и

коэффициентом заполнения импульсов 50%.

При запертом ключе ток от источника E1 протекает через ванну и

возвратный диод. При открытом ключе к напряжению источника E1 добавляется

напряжение источника E2, возвратный диод запирается, и результирующее

напряжение на нагрузке скачком возрастает на величину напряжения источника

E2.

При отключении транзистора это напряжение опять становится равным

напряжению источника E1. Таким образом, обеспечивается условие

непрерывности тока через нагрузку при обеспечении наложения

диагностирующих импульсов. Частотные свойства диодов и транзисторов

позволяют проводить импульсную диагностику в пределах от 0 до 20 кГц.

50

В 2

00

- 4

00 В

E1

Page 131: Mukaeva diss

131

4.1.5 Аналоговый модуль импульсного блока

Разработан аналоговый модуль ИБСД, который выполняет

масштабирование сигналов тока и напряжения на электролизере для сопряжения с

платой сбора данных и согласование импульсного сигнала цифрового генератора

с силовым ключом.

Модуль содержит инструментальные усилители 140УД17, которые

включены по схеме дифференциальных усилителей для измерения напряжения

между анодом и катодом и для преобразования тока в напряжение. Также

указанные усилители масштабируют измеряемые сигналы к диапазону 0…5 В.

Введена схема балансировки усилителя DA2 с помощью резистора R11,

позволяющая уменьшить показатель смещения нуля в 10 раз.

Для питания операционных усилителей в схему введен гальванически

отвязанный DC/DC преобразователь 15 В → ±15 В.

Информационный сигнал замыкания контактора Intlk позволяет отслеживать

АСУ ТП включение блока ИБСД-20.

AGND - общая точка для каналов преобразования тока с помощью усилителя

DA2 и канала преобразования напряжения между анодом и катодом ванны-

электролизера с помощью усилителя DA1.

DGND - общая точка для канала передачи сигнала с цифрового генератора с

помощью драйвера DD1.

Таким образом, разработан аппаратный комплекс АСУ ТП, реализующий

метод оптимального управления процессом ЭПП на основе контроля

шероховатости поверхности и толщины съема поверхностного слоя по

импедансным спектрам. Разработаны структурные и электрические

принципиальные схемы модулей и блоков, входящих в состав аппаратного

комплекса.

Page 132: Mukaeva diss

132

Рисунок 4.4 - Электрическая принципиальная схема аналогового модуля ИБСД

Page 133: Mukaeva diss

133

4.2 Программная часть автоматизированной системы оптимального

управления ТП ЭПП

4.2.1 Лицевая панель программы АСУ ТП ЭПП

В среде графического программирования LabVIEW была разработан

прототип программы управления технологическим процессом электролитно-

плазменного полирования. В пакете LabVIEW реализована концепция

графического программирования алгоритмов преобразования и обработки

цифровых сигналов. Пакет LabVIEW – современное средство для

инструментального управления, сбора и обработки цифровых данных [151].

Программа АСУ ТП состоит из лицевой панели и блок-диаграммы (графический

код программы).

Лицевая панель представляет собой интерактивный пользовательский

интерфейс. Ввод данных оператором осуществляется при помощи элементов

управления: поворотные ручки, кнопки, панели для ввода текстовых и числовых

значений. Выходные данные доступны для оператора благодаря элементам

индикации: лампам, графическим и цифровым индикаторам.

Лицевая панель разработанной программы отображает работу основных

функциональных блоков, разрабатываемой установки. К ним относятся ванна-

электролизер с холодильным агрегатом, блок пульта управления,

автоматизированное рабочее место оператора. Также на лицевой панели имеются

графические индикаторы, которые отображают в графическом виде зависимости

тока, напряжения, шероховатости поверхности от времени.

Блок диаграмма – программный код. Компонентами блок-диаграммы

являются: виртуальные приборы более низкого уровня (подпрограммы),

встроенные функции LabVIEW, различные константы и структуры.

Программа управления технологическим процессом ЭПП позволяет

оператору контролировать физические параметры и принимать необходимые

решения по управлению процессом.

Page 134: Mukaeva diss

134

Рисунок 4.5 - Лицевая панель программы управления технологическим

процессом ЭПП

На рисунке 4.5 представлена лицевая панель программы. На индикаторах

отображаются значения основных технологических параметров.

На панели управления схематически показаны основные компоненты

АСУТП ЭПП – стойка с источниками, ванна-электролизер, холодильник и пульт

управления. В зависимости от состояния компонентов системы изменяется цвет

индикации контрольных ламп и значения контролируемых параметров. Кнопки

ПУСК и СТОП дублируют кнопки на пульте управления. Кнопка ВЫХОД

предназначена для выхода из программы при выключении технологической

установки. В верхней части панели управления строятся графики изменения

плотности тока, напряжения и шероховатости поверхности.

Следует отметить, что программа АСУ ТП, представленная в данной

работе, внедрена на ОАО «КумАПП» в составе автоматизированной установки

твердого анодирования – родственного электрохимического процесса

формирования защитных покрытий. Для данной установки реализована

диагностика толщины покрытия по импедансным спектрам электролизера.

Page 135: Mukaeva diss

135

Поставка установки для электролитно-плазменного полирования запланирована

ОАО «КумАПП» на 2014 год.

Лицевая панель программы управления технологическим процессом ЭПП

содержит 6 вкладок: ―Работа‖, ―Графики‖, ―Сервис‖, ―Спектральный анализ‖,

―Осциллограммы‖, ―Диагностика‖. На рисунке 4.6 показана лицевая панель

вкладки ―Спектральный анализ‖, которая соответствует программе расчета

импедансных спектров, разработанной в рамках диссертационной работы, и

функционирующей на технологическом процессе в условиях серийного

производства. На индикаторах отображаются параметры эквивалентных синусоид

напряжения, тока и импеданса.

Рисунок 4.6 – Лицевая панель вкладки ―Спектральный анализ‖ программы

управления технологическим процессом ЭПП

Page 136: Mukaeva diss

136

Оператор посредством интерфейса вкладки «Спектральный анализ» может

задать параметры для программы сканирования частоты (длительность развертки,

длительность паузы, частоту дискретизации), выбрать файл с заданием

сканирующих частот (список частот, длительность сканирования каждой

частотой). На графических индикаторах отображаются спектры Боде и Найквиста

(см. рисунок 4.6), по которым можно рассчитать параметры активно-емкостной

схемы замещения.

4.2.2 Блок-схема алгоритма программы АСУТП ЭПП и его реализация

в среде LabVIEW

На рисунке 4.5 показан алгоритм программы управления технологическим

процессом ЭПП. В начале алгоритма осуществляется загрузка настроек, которая

включает в себя:

1) ввод значений начальной шероховатости Ra0, площади детали S;

2) ввод целевой шероховатости Raц, которую требуется достичь в

результате обработки, и допустимой толщины съема поверхностного слоя hд;

3) настройка подключения портов коммуникации контроллера-

индикатора температуры; индикаторов напряжения, тока, шероховатости

поверхности; источников питания; плат мониторинга кнопок пульта, работы

холодильника, состояния источников.

Проведенная настройка подключения портов коммуникации позволяет

провести их инициализацию и установить связь со всеми элементами АСУТП,

каждому контроллеру индикатору напряжения, тока, шероховатости поверхности,

температуры присваивается порядковый номер. Далее осуществляется запуск

ИБСД, генерирующего диагностирующие импульсы напряжения переменной

частоты на электродах электролизера.

Page 137: Mukaeva diss

137

Рисунок 4.7 - Блок-схема алгоритма программы АСУ ТП ЭПП

E2

Да

Да

Нет

Нет

Нет

Загрузка Ra0, S,

Raц, h

д

Инициализация

портов и

установление связи

с элементами АСУ

Проверка

температуры

ванны ТВ

Разрешение

включения

Нажата кнопка Пуск

t = 0

Установление

источника

на заданное U

Опрос датчиков,

отображение

T, U, I, Ra, h, Q

Расчет ЧХ, Ra, h, Q

Нажата кнопка Стоп

Конец

Да

Да

Нет

Начало

Расчет

оптимальной

траектории U

Запуск ИБСД

t = t + TS

Raц<Ra, h

д>h

hд< h

Да

Отображение ошибки

Нет

Отображение

успешного

результата

Т=70...90○С

Нажата

кнопка

Пуск

Page 138: Mukaeva diss

138

Анализируя информацию о начальном состоянии поверхности

обрабатываемой детали и о целевых значениях свойств поверхности программа

АСУ ТП ЭПП осуществляет расчет номинальной траектории изменения

управляющего напряжения U на электродах электролизера. Подробное описание

этого блока приведено в п. 3.2.

Важным фактором проведения ЭПП является установление рабочей

температуры электролита. Программа АСУ ТП ЭПП осуществляет проверку

температуры ванны Т. Если температура электролита не находится в диапазоне

70… 80 ○С, то программа блокирует возможность подачи напряжения на ванну

(загораются красные световые индикаторы на лицевой панели пульта и

программы АСУ ТП). Если температура электролита не выходит за указанные

пределы, то загораются зеленые световые индикаторы, сигнализирующие о

готовности технологической установки к запуску. После нажатия оператором

кнопки ―Пуск‖ запускается процесс ЭПП, начинается отсчет длительности

обработки t, система программного управления устанавливает режим работы

источника на заданное напряжение на электродах, в соответствии с рассчитанной

оптимальной траекторией изменения напряжения, и температуру электролита.

В ходе технологического процесса производится измерение значений тока i,

напряжения u с частотой дискретизации, определяемой коэффициентом

xNyquist = 50 по отношению к частоте импульсов ИБСД на вкладке

«Спектральный анализ» в соответствии с теоремой Котельникова. Полученные

данные позволяют провести расчет импедансных спектров на выбранном

диапазоне частот и косвенно идентифицировать шероховатость поверхности Ra и

толщину съема поверхностного слоя h. Также проводится измерение температуры

электролита T с частотой дискретизации 1 Гц. На цифровых индикаторах на

лицевой панели программы АСУТП индицируются средние значения I,U,T.

До запуска обработки осуществляется расчет оптимальной траектории

изменения управляющего напряжения U по алгоритму, рассмотренному

в п. 3.2.

Page 139: Mukaeva diss

139

При достижении целевой шероховатости поверхности Raц на лицевой

панели программы АСУТП и на лицевой панели пульта загорается желтый

световой индикатор и включается звуковой сигнал. Оператор, проанализировав

полученную информацию, принимает решение о нажатии кнопки останова

технологического процесса ―Стоп‖. Также система по выбору оператора

позволяет автоматически отключать напряжение при достижении целевой

шероховатости.

4.2.1 Описание функциональных блоков ПО

Программа АСУ ТП ЭПП содержит семь независимых циклов,

выполняющих функции: расчета технологических параметров (электрических и

свойств поверхности); записи технологических параметров в файл; управления

напряжением на электродах электролизера; расчета целевых свойств

поверхности; контроля температуры электролита и системы

термостабилизации; взаимодействия с внешним пультом; спектрального

анализа. На рисунке 4.8 показано миниатюрное изображение блок-диаграммы

программы АСУ ТП, на которой различимы семь перечисленных независимых

циклов.

В рамках диссертационного исследования разработана блок-диаграмма

цикла спектрального анализа, показанная на рисунках 4.9 - 4.13.

Программа спектрального анализа была включена в состав АСУ ТП

твердого анодирования в результате работы по договору № АП-ТО-15-12-ХГ-

529/48, но обладает высокой степенью универсальности и применима для

различных электрохимических и электролитно-плазменных процессов, включая

ЭПП, при использовании спектральных методов диагностики.

Page 140: Mukaeva diss

140

Рисунок 4.8 – Блок-диаграмма программы АСУ ТП

Мгновенные значения тока и напряжения преобразуются в цифровую

форму с помощью платы ввода-вывода NI PCI-6230. Для настройки платы было

установлено приложение Measurement & Automation Explorer (MAX), которое

позволяет настроить параметры устройств сбора данных с программным

обеспечением, содержащим драйвер NI-DAQ - набор виртуальных приборов для

настройки, сбора и отправки данных [152].

Программа, анализируя заданную последовательность периодически

повторяющихся частот, определяет начало повторяющейся последовательности

частот диагностики и, приняв целую последовательность, приостанавливает

свои действия на заданный промежуток времени, синхронизированный с

программно задаваемой паузой ИБСД. Главным элементом для оценки

амплитуды и начальной фазы сигналов тока и напряжения является

Page 141: Mukaeva diss

141

программная функция Tone Measurements [153], которая находит единственное

гармоническое колебание с наибольшей амплитудой или производит поиск такого

колебания в заданном диапазоне частот. Для найденного колебания определяется

частота и начальная фаза.

В программе спектрального анализа подобным преобразованиям

подвергаются сигналы напряжения и тока. Частоты выделенных сигналов с

наибольшей амплитудой сигнала тока соответствуют частотам диагностирующих

частот в сигнале напряжения. Далее выполняются математические операции по

расчету комплексной проводимости для найденных гармонических колебаний в

сигнале тока и напряжения и сдвига фаз между током и напряжением [154].

Значение удельной проводимости принимается в качестве оценки модуля, а

значения сдвига фаз – аргумента импедансного спектра.

Рисунок 4.9 - Блок-диаграмма цикла спектральной диагностики

Рисунок 4.10 - Блок-диаграмма цикла спектральной диагностики

(продолжение)

Page 142: Mukaeva diss

142

Рисунок 4.11 - Блок-диаграмма цикла спектральной диагностики

(продолжение)

Рисунок 4.12 - Блок-диаграмма цикла спектральной диагностики

(продолжение)

Таким образом, разработано алгоритмическое и программное обеспечение в

пакете LabView, реализующее автоматизированную систему оптимального

управления ТП ЭПП на основе контроля шероховатости поверхности и толщины

съема поверхностного слоя по импедансным спектрам.

Page 143: Mukaeva diss

143

4.3 Опытный образец автоматизированной системы оптимального

управления ТП ЭПП и оценка его эффективности

4.3.1 Пульт управления

На рисунке 4.14 представлена фотография лицевой панели пульта с

пояснением назначения элементов.

На лицевой панели пульта расположены сигнальные индикаторы, цвет

которых был выбран в соответствии с ГОСТ Р-МЭК 60204-1 2007 [155]. Согласно

данному нормативу красный цвет соответствует экстремальному значению,

опасным условиям и требует немедленного действия для ликвидации опасной

ситуации. На лицевой панели пульта красный индикатор загорается при выходе

температуры ванны из заданного диапазона. В этой ситуации автоматически

включается система охлаждения/нагрева ванны.

Рисунок 4.13 - Блок-диаграмма цикла спектральной диагностики

(окончание)

Page 144: Mukaeva diss

144

Желтый цвет обозначает ненормальный режим, неминуемо приводящий к

критической ситуации. Желтый индикатор загорается при достижении целевой

шероховатости поверхности. Требуется вмешательство оператора для останова

процесса ЭПП.

Белый цвет – нейтральный. При горящем белом индикаторе оператор

производит наблюдения. Горящий белый индикатор на панели пульта

свидетельствует о нормальном режиме ЭПП, вмешательства оператора при этом

не требуется.

Горящий зеленый индикатор на панели пульта говорит об исправности

установки, удовлетворительной температуре электролизера и готовности

технологической установки к запуску.

Состав пульта включает один контроллер-индикатор температуры E5CN;

три контроллера-индикатора K3GN, которые используются в качестве

индикаторов, две кнопки CP1-30R-10 и CP1-30G-10; четыре световых индикатора

CL-502R, CL-502Y, CL-502W, CL-502G; распределительную колодку.

Перечисленные элементы обладают степенью защиты IP66 монтированы в щиток

Rittal 200х300х155(ВхШхГ) с той же степенью защиты.

При пересечении заданных пороговых уровней технологических

параметров, каждый контроллер-индикатор Omron с помощью выходного реле

управляет своим световым индикатором: контроллер-индикатор температуры

E5CN - красным индикатором; три контроллера-индикатора K3GN шероховатости

поверхности, тока и напряжения, соответственно желтым, белым и зеленым.

Управление работой индикаторов производится программно по протоколу

Compoway/F.

Page 145: Mukaeva diss

145

Рисунок 4.14 Лицевая панель пульта:

1 – световой индикатор аварии по

температуре;

6 – контроллер-индикатор

температуры;

7 –индикатор шероховатости

поверхности;

8 –индикатор тока;

9 –индикатор напряжения;

10 – кнопки запуска и останова

процесса

2 – световой индикатор достижения

требуемой шероховатости

поверхности;

3 – запирающий замок щитка;

4- световой индикатор нормальной

работы технологической установки;

5 – световой индикатор готовности

технологической установки к запуску;

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Page 146: Mukaeva diss

146

Рисунок 4.15 - Уровни запуска охлаждения и аварийной сигнализации

Контроллер-индикатор температуры E5CN позволяет устанавливать уровни

значений сигналов при которых срабатывают реле: одно запускает режим

охлаждения, другое запускает режим нагрева, третье зажигает аварийный

светоиндикатор. Для ТП электролитно-плазменного полирования рекомендуются

следующие абсолютные значения уровней температуры:

T1 = 78○C;

T2 = 80○C;

T3 = 82○C;

T4 = 86○C.

Для установки перечисленных уровней, в настройки контроллера-

индикатора температуры E5CN внесены следующие параметры:

SP = 82○C;

Alarm1 L = 2○C;

Hysteresis = 2○C;

Alarm1 H = 2○C.

Логика срабатывания реле следующая:

1) Режим работы в интервале температур от T1 до T4 – нормальный. Если

значение температуры выходит за данные пороговые уровни, срабатывает

реле, включающее аварийный светоиндикатор.

2) При повышении температуры T и условии Т ≥ T3 срабатывает реле,

включающее режим охлаждения электролита.

3) При понижении температуры Т и условии Т ≤ T2 режим охлаждения

отключается.

Page 147: Mukaeva diss

147

4) При условии Т ≤ T1 срабатывает реле, включающее режим нагрева.

5) При условии Т ≥ T2 режим нагрева отключается.

Следует отметить, что пульт управления за счет работы контроллера

температуры E5CN может поддерживать заданную температуру ванны автономно

без включения управляющего компьютера.

4.3.2 Опытный образец импульсного блока спектральной диагностики

Управление силовой частью производится от микроконтроллера –

цифрового генератора прямоугольных импульсов через аналоговый модуль

сопряжения, который содержит драйвер IRF2125 для управления IGBT

транзисторами, каскады измерения напряжения и тока на операционных

усилителях, преобразователь напряжения FDD0315-15D4A-5-15В с

гальванической развязкой, разъемы подключения к ПК. Микроконтроллер

оснащен программой [156], для которой соискателем написан фрагмент

программного кода. Аналоговый модуль сопряжения подключается к аналого-

цифровой плате ввода-вывода управляющего компьютера. Информация о

состоянии микроконтроллера, частоте сигнала и длительности пакета выводится

на цифровой дисплей в модуле индикации на передней панели ИБСД.

Рисунок 4.16 - Расположение элементов импульсного блока спектральной

диагностики в корпусе 19‖

Page 148: Mukaeva diss

148

Измерение тока в силовой цепи осуществляется с помощью низкоомного

шунта с номинальным током 200 А и усилительного каскада на операционных

усилителях. Частотные свойства выбранных диодов и транзисторов силовой и

аналоговой плат позволяют проводить импульсную диагностику в пределах

от 0 до 20 кГц. Все каналы приема-передачи имеют гальваническую развязку до

1500 В, обеспечивая безопасность работы персонала и внешнего оборудования.

В аналоговом модуле импульсного блока спектральной диагностики

объединены схемы измерения и согласования. Аналоговый модуль выполнен на

печатной плате из стеклотекстолита с применением SMD-компонентов.

Чертеж печатной платы приведен на рисунке 4.18 На плате показана

гальваническая развязка между AGND и DGND. Разъемы XS1 и XS4 – разъемы

«Диагностика» и «Ванна» импульсного блока ИБСД-20. Перечень элементов

приведен в таблице 4.1. Конструкция импульсного блока спектральной

диагностики также представлена в статьях [157 ,158]. Соискателем разработан и

выполнен аналоговый модуль со схемами измерения и согласования.

Рисунок 4.17 - Печатная плата аналогового модуля ИБСД-20

Page 149: Mukaeva diss

149

Рисунок 4.18 - Чертеж печатной платы аналогового модуля ИБСД-20

с расположением элементов

Таблица 4.1

Перечень элементов аналогового модуля ИБСД-20

Обозначение Наименование Кол-во

DA1, DA2 Прецизионный ОУ 140УД17А 2

DD1 Драйвер IR2121 1

DC-DC Модуль питания FDD03-15D4A 1

C1, C3, C6 ECAP 220 мкФ, 25В, ±20 % 3

C2, C4, C5, С7 К10-17Б конденсатор керам. 1 мкФ, 50 В, 10% 4

R1, R2 Чип-резистор 1206 R 100 кОм, 0,25 Вт, 1% 2

R3, R5, R9 Чип-резистор 1206 R 4,7 кОм 0,25 Вт, 1% 3

R4, R6,R10 Резистор подстроечный

СП5-2ВБ (3296W) 1 кОм, 0,5 Вт, 20%

3

R14 Резистор 1кОм, 0,125 Вт, ± 5% 1

R7, R8 Чип-резистор 1206 R 75 Ом, 0,25 Вт 2

R11 Резистор подстроечный

СП5-2ВБ (3296W) 10 кОм, 0,5 Вт, 20%

1

R12, R13 Резистор 10 Ом, 1,0 Вт, ± 5% 2

Page 150: Mukaeva diss

150

4.3.3 Оценка эффективности АСУ ТП ЭПП

В таблице 4.2 приведена оценка эффективности АСУ ТП ЭПП, в которой

указан выигрыш по энергоемкости Q и толщине съема поверхностного слоя h по

сравнению с рабочим режимом обработки без управления напряжением. Этапы t1,

t2, t3 схематически показаны на рисунке 3.9. Общая длительность обработки

рассчитывается по формуле (3.6).

Таблица 4.2

Оценка эффективности АСУ ТП ЭПП по энергоемкости Q и толщине съема

поверхностного слоя h

№ Raц,

мкм

hд,

мкм

Ra0,

мкм

T,

○С

t1, мин

U0 =

300 В

t2, мин

U1 =

250 В

t3, мин

U3 =

350 В

tобр, мин Выигрыш

Q, %

Выигрыш

h, %

1 0,15 18 0,32 70 1 2 0 3 9 -

2 0,15 18 0,32 80 1 3 0 4 9 -

3 0,15 18 0,32 90 1 5 0 6 9 -

4 0,15 18 0,5 70 1 6 2 9 11 -

5 0,15 18 0,5 80 1 9 1 11 11 -

6 0,15 18 0,5 90 1 13 0 14 10 -

7 0,15 18 0,63 70 1 0 17 18 - 31

8 0,15 18 0,63 80 1 5 15 21 - 14

9 0,15 18 0,63 90 1 16 7 24 10 -

10 0,15 11 0,5 80 1 0 15 14 - 25

11 0,15 15 0,5 80 1 10 0 11 11 -

12 0,2 8 0,5 80 1 1 7 9 - 18

13 0,25 11 0,5 80 1 4 0 5 10 -

14 0,35 4 0,5 80 1 1 2 3 - 18

Page 151: Mukaeva diss

151

По сравнению с ТП ЭПП без управления, применение программ

оптимального управления позволяет достигнуть выигрыша ε по энергоемкости Q

или по толщине съема поверхностного слоя h в зависимости от начального

условия Ra0, температуры T, целевой шероховатости Raц и ограничения hд. Из

рисунков 4.19 и 4.20 следует, что ужесточение требований к допустимой толщине

съема поверхностного слоя hд или к целевой шероховатости Raц приводит к

повышению энергоемкости за счет необходимости выполнения ограничения по h,

которое недостижимо без управления. На рисунке 4.21 показаны возможности

повышения эффективности процесса ЭПП при обработке поверхностей с

различной начальной шероховатостью Ra0. Большие значения начальной

шероховатости также приводят к повышению энергоемкости за счет

необходимости выполнения ограничения по h. Температура T оказывает

значительное влияние на эффективность обработки, так как увеличение T к

замедлению как и скорости полирования, так и скорости съема поверхностного

слоя.

а б

в

Рисунок 4.19 - Выигрыш по энергоемкости (---) и по толщине съема

поверхностного слоя (─) в зависимости от допустимой толщины съема hд

поверхностного слоя для Ra0 = 0,5 мкм, Raц = 0,15 мкм

и T = 70 oC (а), T = 80

oC (б), T = 90

oC (в)

Page 152: Mukaeva diss

152

а б

в

Рисунок 4.20 – Выигрыш по энергоемкости (---) и по толщине съема

поверхностного слоя (─) в зависимости от целевой шероховатости Raц

для Ra0 = 0,5 мкм, hд = 12 мкм и T = 70 oC (а), T = 80

oC (б), T = 90

oC (в)

а б

в

Рисунок 4.21 – Выигрыш по энергоемкости (---) и по толщине съема

поверхностного слоя (─) в зависимости от начальной шероховатости Ra0

для Raц = 0,2 мкм, hд = 11 мкм и T = 70 oC (а), T = 80

oC (б), T = 90

oC (в)

Таким образом, оценка эффективности выявила снижение энергоемкости

процесса на 6…11 % и уменьшение толщины съема поверхностного слоя на

20…30 % при достижении требуемой шероховатости поверхности.

Page 153: Mukaeva diss

153

Выводы по главе 4

1. Разработан и апробирован аппаратный комплекс АСУ ТП, реализующий

метод оптимального управления процессом ЭПП на основе контроля

шероховатости поверхности и толщины съема поверхностного слоя по

импедансным спектрам и регулирования управляющего напряжения по

оптимальной траектории. Разработаны структурные и электрические

принципиальные схемы модулей и блоков, входящих в состав аппаратно-

программного комплекса.

2. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение в пакете

LabView, реализующее автоматизированную систему оптимального управления

ТП ЭПП на основе контроля шероховатости поверхности и толщины съема

поверхностного слоя по импедансным спектрам и регулирования управляющего

напряжения по оптимальной траектории, рассчитанной методом линейного

программирования.

3. Для экспериментального апробирования алгоритмов управления

разработан прототип АСУ ТП ЭПП. Ключевые элементы АСУ ТП внедрены в

производство на ОАО «КумАПП» в составе автоматизированной установки

твердого анодирования с компьютерным управлением и диагностикой состояния

поверхности и в учебный процесс в совместной ФГБОУ ВПО «УГАТУ» и ОАО

«КумАПП» научно-исследовательской лаборатории плазменно-

электролитического оксидирования деталей вертолетной техники.

4. Оценена эффективность применения АСУ ТП ЭПП, реализующей

разработанный метод оптимального управления, показано снижение

энергоемкости процесса на 6…11 % и уменьшение толщины съема

поверхностного слоя на 20…30 % при достижении требуемой шероховатости

поверхности.

Page 154: Mukaeva diss

154

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе экспериментальных исследований объекта управления

установлены взаимосвязи, отражающие закономерности изменения свойств

поверхностного слоя и импедансных спектров процесса ЭПП в зависимости от

технологических параметров (напряжения на электролизере, температуры

электролита, длительности обработки и начальной шероховатости), что позволяет

выявить переходные характеристики процесса ЭПП, формализовать его модель

как объекта управления, предложить способы контроля шероховатости и

обосновать метод оптимального управления.

2. Разработана модель объекта управления в виде структуры из типовых

динамических звеньев (апериодического звена первого порядка, интегрирующего

и безынерционного звеньев), с переменными параметрами (постоянная времени и

коэффициенты передачи звеньев), рассчитывающимися с помощью радиально-

базисной нейронной сети по начальным условиям и управляющим воздействиям,

что позволяет поставить и решить задачу оптимального управления процессом

электролитно-плазменного полирования.

3. Разработан метод оптимального управления процессом ЭПП,

заключающийся в изменении напряжения на электролизере по оптимальной

траектории, рассчитанной по модели объекта управления для достижения

требуемой шероховатости поверхности с минимальным энергопотреблением, при

ограничении по толщине съема поверхностного слоя, стабилизации температуры

электролита на постоянном уровне и своевременном останове процесса за счет

контроля свойств поверхности по импедансным спектрам, реализуемом либо по

запатентованному способу на основе модели объекта управления, либо с

помощью диагностической радиально-базисной нейросетевой модели.

Page 155: Mukaeva diss

155

4. Разработан аппаратно-программный комплекс АСУ ТП, реализующий

метод оптимального управления процессом ЭПП на основе изменения

напряжения на электролизере по оптимальной траектории и контроля

шероховатости поверхности, толщины съема поверхностного слоя по

импедансным спектрам, обеспечивающий снижение энергоемкости процесса на

6…11 % и уменьшение толщины съема поверхностного слоя на 20…30 % при

достижении требуемой шероховатости поверхности. Опытные образцы элементов

АСУ ТП внедрены в производство на ОАО «КумАПП» и в учебный процесс в

ФГБОУ ВПО «УГАТУ».

Page 156: Mukaeva diss

156

ЛИТЕРАТУРА

1. Белкин, П. Н. Электрохимико-термическая обработка металлов и сплавов /

П. Н. Белкин. – М.: Мир, 2005. – 336 с.

2. Суминов, И. В. Микродуговое оксидирование: теория, технология,

оборудование / И. В. Суминов, А. В. Эпельфельд, В. Б. Людин. – М.: Экомет,

2005. – 368 с.

3. Смыслова, М. К. Процесс электролитно-плазменной обработки деталей ГТД

с предварительным формированием парогазовой оболочки / М. К. Смыслова

[и др.] // Проблемы машиноведения, процессов управления и критических

технологий: cб. науч. тр. –Уфа: Гилем, 2008.

4. Парфенов, Е. В. Выбор оптимальных условий удаления алюминидного

покрытия с поверхности жаропрочного никелевого сплава электролитно-

плазменным методом / Е. В. Парфенов, Р. Р. Невьянцева, А. А. Быбин,

В. Р. Мукаева // Физика и химия обработки материалов. – 2010. - № 4. – С. 19-24.

5. Ясногородский, И. З. Электролитный нагрев / И. З. Ясногородский /

Электрохимическая и электромеханическая обработка металлов –

М.: Машиностроение, 1971. – С. 117-157.

6. Кашапов, Р. Н. Исследование влияния соотношения площадей электродов

на характеристики плазменно-электролитного разряда / Р. Н. Кашапов // XXXVII

Международная конференция по физике плазмы и УТС, Звенигород. – 2010. –

С. 316.

7. Воленко, А. П. Электролитно-плазменная обработка металлических изделий /

А. П. Воленко, О. В. Бойченко, Н. В. Чиркунова // Вектор науки ТГУ. – 2012. –

№ 4. – С. 144-147.

8. Дураджи, В. Н. Нагрев металлов в электролитной плазме / В. Н. Дураджи,

А. С. Парсаданян. – Кишинев : Штиинца, 1988. – 216 с.

Page 157: Mukaeva diss

157

9. Еретнев, К. Н. Процессы нагрева и очистки поверхности металлов

в электролите и их практическое использование / К. Н. Еретнев, С. В. Лебедев. –

Липецк, 1997. – 150 с.

10. Словецкий, Д. И. Механизм плазменно-электролитного нагрева металлов /

Д. И. Словецкий, С. Д. Терентьев, В. Г. Плеханов // Теплофизика высоких

температур. – 1986. – Т. 24. – № 2. – С. 353-363.

11. Корниенко, Л. П. Повышение коррозионной стойкости титана

с электроискровым палладиевым покрытием путем анодно-плазменного нагрева

в водном электролите / Л. П. Корниенко, В. Н. Дураджи, Г. П. Чернова,

А. Е. Гитлевич, Р. Х. Залавутдинов, Г. Н. Хрусталева, Г. М. Плавник // Защита

металлов. – 2003. – Т. 39. – № 1. – С. 45-52.

12. Лазаренко, Б. Р. Об особенностях электролитного нагрева при анодном

процессе / Б. Р. Лазаренко, В. Н. Дураджи, А. А. Факторович, И. В. Брянцев //

Электронная обработка материалов. – 1974. – № 3. – C. 37-40.

13. Дураджи, В. Н. Цементация и нитроцементация стали при нагреве

в электролитной плазме / В. Н. Дураджи, И. В. Брянцев, Е. А. Пасинковский //

Электронная обработка материалов. – 1977.– № 2. – С. 15-18.

14. Тюрин, Ю. Н. Особенности электролитно-плазменной закалки / Ю. Н. Тюрин,

А. Д. Погребняк // Журнал технической физики. – 2002. – Т. 72. – Вып. 11. –

С. 119-120.

15. Tyurin, Yu. N. Electric Heating Using a Liquid Electrode / Yu. N. Tyurin,

A. D. Pogrebnjak // Surface and Coatings Technology. – 2001. – Vol. 142-144. –

P. 293-299.

16. Лазаренко, Б. Р. Применение электролитной плазмы для интенсификации

процесса азотирования // Электронная обработка материалов / Б. Р. Лазаренко,

П. Н. Белкин, Е. А. Пасинковский, А. А. Факторович. – 1977. – № 6. – С. 19-22.

17. Александров, В. Н. Физико-механические свойства стали 45, азотированной

в электролитной плазме / В. Н. Александров, П. Н. Белкин, Е. А. Пасинковский,

Page 158: Mukaeva diss

158

В. В. Понукалин, А. А. Факторович // Электронная обработка материалов. – 1982.

– № 2. – С. 17-18.

18. Ревенко, В. Г. Коррозионно-электрохимическое поведение стали 40Х после

различных вариантов азотирования / В. Г. Ревенко, В. В. Паршутин,

А. И. Шкурпело, Г. П. Чернова, Н. Л. Богдашкина // Защита металлов. – 2003. –

Т. 39. – № 1. – С. 53-56.

19. Кузенков, С. Е. Химико-термическая обработка стальных изделий в водных

растворах электролитов / С. Е. Кузенков, Б. П. Саушкин // Сборник трудов ВНТК

«Современная электротехнология в машиностроении» – Тула. ТГУ. – 1997. –

С. 27-331.

20 Баковец, В. В. Плазменно-электролитическая анодная обработка металлов /

В. В Баковец, О. В. Поляков, И. П. Долговесова. – Новосибирск : Наука. Сиб. отд.,

1991. – 164 с.

21. Гордиенко, П. С. Микродуговое оксидирование титана и его сплавов /

П. С. Гордиенко, С. В. Гнеденков. – М. : Наука, 1997. – 185 с.

22. Белеванцев В. И. Микроплазменные электрохимические процессы. Обзор /

В. И. Белеванцев, О. П. Терлеева, Г. А. Марков, Е. К. Шулепко, А. И. Слонова,

В. В. Уткин // Защита металлов. – 1998. – Т. 34. – № 5. – С. 469-484.

23. Yerokhin, A. L. Plasma electrolysis for surface engineering. Review /

A. L. Yerokhin, X. Nie, A. Leyland, A. Matthews, S. J. Dowey // Surface and Coatings

Technology. – 1999. – Vol. 122. – P. 73-79.

24. Майданик, М. А. Об эрозии некоторых солевых образований при воздействии

электрического разряда в электролитах / М. А. Майданик, А. Г. Непокойчицкий,

Л. И. Могилевич // Электронная обработка материалов. – 1989. – № 2. – С. 44-46.

25. Meletis, E. I. Electrolytic plasma processing for cleaning and metal-coating of steel

surfaces / E. I. Meletis, X. Nie, F. L. Wang, J.C. Jiang // Surface and Coatings

Technology. – 2002. – Vol. 150. – P. 246-256.

Page 159: Mukaeva diss

159

26. Измайлова, Н. Ф. Поиск эффективных условий удаления покрытия нитрида

титана электролитно-плазменным методом / Н. Ф. Измайлова, Р. Р. Невьянцева,

Т. М. Тимергазина, Е. В. Парфенов // Современные технологии

в машиностроении: сборник материалов Всероссийской научно-практической

конференции. – Пенза : ПГТУ, – 1997. – С. 50-52.

27. Nevyantseva , R. R. The influence of vapor-gaseous envelope behavior on plasma

electrolytic coating removal / R. R. Nevyantseva, S. A. Gorbatkov, E. V. Parfenov,

A. A. Bybin // Surface and Coatings Technology. – 2001. – Vol. 148. – № 11. –

P. 30-37.

28. Невьянцева, Р. Р. Выбор способа удаления покрытия TiN с поверхности

мартенситной стали для разработки технологических рекомендаций ремонта

лопаток энергоустановок / Р. Р. Невьянцева, А. А. Быбин, Е. В. Парфенов,

Н. Ф. Измайлова // Вестник УГАТУ. – 2009. – № 2. – С. 103-107.

29. Пат. Российская Федерация № 2084546 C25 F 5/00. Способ удаления покрытия

с металлической подложки / Н. А. Амирханова, Р. Р. Невьянцева,

Т. М. Тимергазина, В. А. Белоногов. – Опубл. 1997, Бюл. № 16.

30. Савотин, И. В. Электрохимическое полирование меди и вольфрама при

высоких напряжениях в присутствии парогазовой оболочки на электроде /

И. В. Савотин, А. Д. Давыдов // Электронная обработка материалов. – 1998. –

Т. 194. – № 5-6. – С. 4-11.

31. Амирханова, Н. А. Исследование закономерностей электролитно-плазменного

полирования жаропрочного сплава ЭП-718 / Н. А. Амирханова, В. А. Белоногов,

Г. У. Белоногова // Металлообработка. –2003. – № 6. – С. 16-20.

32. Амирханова, Н. А. Некоторые аспекты электролитно-плазменной обработки

меди и медных сплавов / Н. А. Амирханова, В. А. Белоногов, Г.У. Белоногова //

Современные технологии в машиностроении: сб. науч.-практ. конф. – Пенза,

1999. – С. 154-156.

Page 160: Mukaeva diss

160

33. Пат. ГДР № 238074. С 25 F 3/16. Способ полирования стальных изделий

до зеркального блеска в анодной электролитной плазме / Х. Хойер, Е. Ресснер,

К. Рабендинч, Е. Кирше, Ж. Пампель – Опубл. 06.08.1986, БИ № 18.

34. Парфенов, Е. В. Анализ энергоемкости процессов электролитно-

плазменнойобработки / Е. В. Парфенов, В. Р. Мукаева, Р. Р. Невьянцева // Научно-

исследовательские проблемы в области энергетики и энергосбережения: сб. тр. –

УГАТУ. – 2010. – С.186-188.

35. Ерофеев, Ю. М., Установка для электролитно-плазменного полирования /

Ю. М. Ерофеев, В. Н. Пшеничный, В. М. Мигунов // Конверсия

в машиностроении. – 2003. – № 1. – С. 80-82.

36. Ушомирская, Л. А. Особенности чистовой обработки турбинных лопаток /

Л. А. Ушомирская, А. И. Фоломкин, В. И. Новиков // Электрофизические

и электрохимические методы обработки. – 2008. – № 4. – с. 19-21

37. Смыслов, А. М. Многоэтапная электролитно-плазменная обработка изделий

из титана и титановых сплавов /А. М. Смыслов, М. К. Смыслова, А. Д. Мингажев,

К. С. Селиванов // ВестникУГАТУ. – 2009. – Т.13, № 1. – С. 141-145.

38. Пат. Российская Федерация № 2116391 C25 F 3/16. Способ полирования

изделий / Н. А. Амирханова, В. А. Белоногов, Р. Г. Касимов, В. Н Горяйнов. –

Опубл. 27.07.1998.

39. Пат. Российская Федерация № 2168565 C25 F 3/16. Способ

электрохимического полирования металлических изделий / Р. А. Мирзоев,

М. И. Стыров, Н. И. Степанова, А. И. Майоров. – Опубл. 10.06.2001.

40. Головкина, Е. Я. Исследование параметров шероховатости поверхности

стальных деталей после электроимпульсного полирования и нанесения

тонкопленочных покритий / Е. Я. Головкина, Ю. В. Синькевич // Извест. ВУЗов

СССР. Сер. Машиностроение. – 1989. – Вып. 6. – С. 134 – 138.

Page 161: Mukaeva diss

161

41. Синькевич, Ю. В. Влияние электроимпульсного полирования подложки

на прочность сцепления гальванических покрытий / Ю. В. Синькевич // Вестник

ПГУ. – 2008. – № 2. – С. 228 -232.

42. Чиркунова, Н. В. Формирование нано- и микроразмерных образований при

электролитно-плазменной обработке аустенитной нержавеющей стали /

Н. В. Чиркунова, А. П. Воленко, В. К. Чуркин, И. М. Сафаров, Р. Р. Мулюков //

письма о материалах. – 2013. – Т.3. – с.163-165.

43. Куликов, И. С. Электролитно-плазменная обработка материалов /

И. С. Куликов, С. В. Ващенко, А. Я. Каменев. – Минск: Беларусская наука, 2010. –

232 с.

44. Саушкин, Б. П. Электроразрядные процессы в технологиях

машиностроительного производства (Обзор литературных патентов) Часть 2:

Технологическое применение электроразрядных явлений в системе «металл-

электролит» / Б. П. Саушкин, А. Г. Атанасянц // Металлообработка. – 2006. –

№ 1. – С. 16-23.

45. Локтев, Д. Е. Исследование параметров электролитно-плазменного

полирования низколегированной стали методом планирования полного

факторного эксперимента / Д. Е. Локтев, Л. А. Ушомирская, В. И. Новиков //

Электрофизические и электрохимические методы обработки. – 2009. – № 5. –

С. 15-18.

46. Белкин, П. Н. Анодная электрохимико-термическая модификация металлов

и сплавов / П. Н. Белкин // Электронная обработка материалов. – 2010. – № 6. –

С. 29-41.

47. Парфенов, Е.В. Обобщенная математическая модель технологического

процесса электролитно-плазменного удаления покрытий / Е. В. Парфенов,

Р. Р. Невьянцева., А. А. Быбин // ВестникУГАТУ. – 2007. – Т.9, № 7. – С. 33-40.

Page 162: Mukaeva diss

162

48. Патент Респ. Беларуси № 13937. Устройство для электролитно-плазменного

полирования металлического изделия / Э. П. Кревсун, И. С. Куликов,

А. Я. Каменев, В. Л. Ермаков. – Опубл. 30. 12. 2010.

49. Патент Респ. Беларуси № 16063. Устройство для электролитно-плазменной

обработки токопроводящего изделия / Э. П. Кревсун., И. С. Куликов,

П. К. Нагула. Опубл. 30.06.2012.

50. Патент РФ № 2268326 С25 F 7/00. Установка электролитно-плазменного

полирования / Р. Г. Касимов, В. Н. Горяйнов, А. О. Балахнин. – Опубл. 20.01.2006.

51. Синькевич, Ю. В. Вероятностно-статистическая оценка шероховатости

поверхности электроимпульсно полированных деталей / Ю. В. Синькевич,

А. А. Гриневич, И. Н. Янковский // Вестник БНТУ. – 2011. – №5 – с. 9-18.

52. Патент РФ № 2133943, МКИ6 G 01 В 7/34. Способ измерения шероховатости

поверхности / Р. Р. Невьянцева, С. А. Горбатков., Е. В. Парфенов., А. А. Быбин.

Опубл. 27.07.99.

53. Патент РФ № 2240500, МКИ7 G 01 В 7/34. Способ измерения шероховатости

поверхности / Р. Р. Невьянцева, С. А. Горбатков., Е. В. Парфенов., А. А. Быбин.

Опубл. 20.11.04.

54. Сарилов, М Ю. Дисс. на соискание уч. степени д. т. н. «Повышение

эффективности электроэрозионной обработки и качества обработанной

поверхности на основе подходов искусственного интеллекта». – Комсомольск-на-

Амуре. – 2008. – 377 с.

55. Житников, В. П. Импульсная электрохимическая размерная обработка /

В. П. Житников, А. Н. Зайцев . – М. : Машиностроение, 2008 . – 413 с.

56. Зориктуев, В. Ц. Автоматизация технологических процессов и производств /

В. Ц. Зориктуев, Р. Р. Загидуллин, А. Г. Лютов, Ю. А. Никитин, А. Г. Схиртладзе;

под ред. В. Ц. Зориктуева . – М. : Машиностроение, 2008. – 428 с.

57. Бадамшин, Р.А. Оптимальное терминальное управление системами

с распределенными параметрами при неполном измерении их состояния /

Page 163: Mukaeva diss

163

Р.А. Бадамшин, С.А. Горбатков, Е.А. Клестов. – Уфа : Изд-во УГАТУ, 1997 . –

313 с.

58. Синькевич, Ю. В. Фазовый состав и микроструктура электроимпульсно

полированной поверхности коррозионно-стойких сталей / Ю. В. Синькевич,

И. Н. Янковский // Международный сборник научных статей: Прогрессивные

технологии и системы машиностроения. – 2009. - №37. – с. 233 – 238.

59. Станишевский, В. К. Исследование электрической устойчивости системы

источник питания-нагрузка при электролитной обработке / В. К. Станишевский,

А. Э. Паршуто, А. А. Семченко, А. А. Кособуцкий // Электронная обработка

материалов. – 1988. – № 1. – С. 26-29.

60. А.с. СССР № 1775508 C25F 3/16. Способ электролитно-плазменного

полирования изделий сложной формы / В. К. Станишевский, Г. Е. Слепнев,

Л. М. Семененко, А. А. Кособуцкий, А. Э. Паршуто, В. А. Хлебцевич. – Опубл.

1992. – Бюл. № 42.

61. Суминов, И. В. Плазменно-электролитическое модифицирование поверхности

металлов и сплавов / И. В. Суминов, П. Н. Белкин, А. В. Эпельфельд, В. Б. Людин,

Б. Л. Крит, А. М. Борисов. – Москва: Техносфера, 2011. – Т. 2. – 512 с.

62. Черненко, В. И. Теория и технология анодных процессов при высоких

напряжениях / В. И. Черненко, Л. А. Снежко, В. И. Папанова. – Киев: Наукова

думка, 1995. – 199 с.

63. Кабалдин, Ю. Г. Повышение устойчивости процесса электроэрозионной

обработки и качества обработанной поверхности на основе подходов

искусственного интеллекта / Ю. Г. Кабалдин, М. Ю. Сарилов, С. В. Биленко. –

Комсомольск-на-Амуре: КнАГТУ, – 2007. – 191 с.

64. Атрощенко, В. В. Автоматическое управление и диагностика технологических

процессов электрообработки / В. В. Атрощенко, Р. Х. Ганцев. – Москва :

Машиностроение, 2000. – 205 с.

Page 164: Mukaeva diss

164

65 Атрощенко, В. В. Интегрированная система управления процессами

электрообработки метал лов / В. В. Атрощенко, Р. Х. Ганцев // Вестник УГАТУ. –

2007. – Т.9, №7. – с. 25-32.

66. Зайцев, А. Н. Прецизионная электрохимическая обработка импульсным током

/ А. Н. Зайцев, И. Л. Агафонов, Н. А. Амирханова и др. – Уфа: Гилем, 2003. –

196 с.

67. Зайцев, А. Н. Высокоскоростное анодное растворение в условиях

нестационарности электродных потенциалов / А. Н. Зайцев, В. П. Житников,

Т. Р. Идрисов и др. – Уфа.: Гилем, 2005. – 220 с.

68. Маннапов, А. Р. Полуэмпирическая математическая модель нестационарного

процесса импульсной электрохимической обработки вибрирующим электродом-

инструментом в локально-одномерном приближении / А. Р. Маннапов,

В. П. Житников, С. С. Поречный // Вестник УГАТУ. – 2011. – Т.15. – №3. –

с. 60-66.

69. Патент РФ № 2202451. Способ управления процессом удаления дефектного

покрытия электролитно-плазменным методом / А. И. Михайловский,

Р. Р. Невьянцева, Е. В. Парфенов, А. А. Быбин. МПК7B23H7/20. Опубл. 2003.

70. Parfenov, E. V. Process Control for Plasma Electrolytic Removal of TiN Coatings.

Part 1: Duration Control / E. V. Parfenov, R. R. Nevyantseva, S. A. Gorbatkov // Surface

and Coatings Technology. – 2005. – Vol. 199. – P. 189-197.

71. Parfenov, E. V. Impedance spectroscopy characterisation of PEO process and

coatings on aluminium / E. V. Parfenov, A. L. Yerokhin, A. Matthews // Thin Solid

Films. – 2007. Vol. 516, P. 428-432.

72. Мукаева, В. Р. Математическое моделирование процесса электролитно-

плазменного полирования / В. Р. Мукаева, Е. В. Парфенов // Вестник УГАТУ. –

2012. – Т.16. – №6. – с. 67-73.

Page 165: Mukaeva diss

165

73. Патент РФ №2475700. МПК G 01 B 7/34. Способ измерения шероховатости

поверхности в процессе электролитно-плазменной обработки / Е. В. Парфенов,

В. Р. Мукаева, Р. Р. Невьянцева, А. А. Быбин. Опубл. 20.02.2013. БИ №5.

74. Семченко, Н. И. Коррозионное поведение аустенитных нержавеющих сталей

после электролитно-плазменного полирования / Н. И. Семченко, А. Ю. Королев //

Сборник трудов IV Международного симпозиума по теоретической и прикладной

плазмохимии. – Иваново: Ивановский государственный химико-технологический

университет, 2005. – 657 с.

75. Парфенов, Е.В. Оценка экологической эффективности процесса электролитно-

плазменного удаления дефектных покрытий с деталей ГТД /

Е. В. Парфенов, А. А. Быбин, Р. Р. Невьянцева // Авиационно-космическая

техника и технология. – 2011. – №10(87). – с. 12-16.

76. Хмыль, А. А. Влияние метода полирования стали на шероховатость и

эксплуатационные свойства контактных поверхностей / А. А. Хмыль,

А.П. Достанко, В.Г. Анисимович, С.А. Чижик // Трение и износ. – 1996. – Т.17. –

№ 4, С. 491-496.

77. Исаевич, Л. А. Исследование процесса получения высокопрочной проволоки

из стали 12Х18Н10Т волочением с электролитно-плазменной обработкой

поверхности / Л.А. Исаевич, Ю.Г. Алексеев, А.Ю. Королев // Вестник БНТУ. –

2005. – № 6. – С. 30-33.

78. Синькевич, Ю. В. Электроимпульсное полирование деталей

из коррозионностойких и углеродистых конструкционных сталей : автореф. дис.

… канд. техн. наук: 05.03.01 / Ю. В. Синькевич. – Минск, 1998. – 23 с.

79. Багаев, С. И. Использование электролитно-плазменной технологии для

подготовки поверхности металлических изделий под нанесение покрытий

и обработки сварочных швов / С. И. Багаев, А. Я. Каменев, И. С. Куликов.,

И. Г. Милашевская // Сварка и родственные технологи. – 2010. – С. 122-126.

Page 166: Mukaeva diss

166

80. Парфенов, Е. В. Влияние условий обработки на процесс удаления

жаростойкого алюминидного покрытия электролитно-плазменным методом при

стабилизации температуры электролита / Е. В. Парфенов, Р. Р. Невьянцева,

А. А. Быбин, В. Р. Мукаева // Физика и химия обработки материалов. – 2011. –

№ 6, – с.18-25.

81. Кашапов, Р. Н. Плазменно-электролитное формирование микроструктуры

поверхности стали / Р. Н. Кашапов // ХХХVIII Международная конференция

по физике плазмы и УТС. Звенигород: 2010.

82. Синькевич, Ю. В. Обеспечение геометрических параметров качества

поверхности электроимпульсным полированием / Ю. В. Синькевич //

Прогрессивные технологии и системы машиностроения:– Донецк: междунар. сб.

науч. тр., 2006. – № 32. – С. 200-306.

83. Багаев, С. И. Совершенствование плазменно-электролитного способа

обработки металлов / С. И. Багаев, И. С. Куликов, Э. П. Кревсун // Современные

методы и технологи создания и обработки материалов. – 2008. – С. 57-61

84. Алексеев, Ю. Г. Модель размерного съема материала при электролитно-

плазменной обработке цилиндрических поверхностей / Ю. Г. Алексеев,

А. Ю. Королев, А. Э. Паршуто, В. С. Нисс // Наука и техника. – 2012. – №3. –

с. 3-6.

85. Синькевич, Ю. В. Вероятностно-статистическая оценка шероховатости

поверхности электроимпульсно полированных деталей / Ю. В. Синькевич,

А. А. Гриневич, И. Н. Янковский // Вестник БНТУ. – 2011. – №5 – с. 9-18.

86. Шелег, В. К. Формирование микрогеометрии поверхности при

электроимпульсном полировании / В. К. Шелег, Ю. В. Синькевич,

И. Н. Янковский // Вестник Полоцкого государственного университета. – 2007. –

№ 8. – С. 48-52.

87. Жиров, А. В. Растворение и окисление углеродистых сталей при анодном

нагреве в водных электролитах / А. В. Жиров, И. Г. Дьяков, П. Н. Белкин //

Page 167: Mukaeva diss

167

Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. – 2010. –

№ 3. – С. 89-93.

88. Кашапов, Р. Н. Плазменно-электролитная обработка поверхности металлов /

Р.Н. Кашапов // Физика и химия обработки материалов. – М.: 2010. – №5. –

50-56 с.

89. Parfenov, E. V. Process control for plasma electrolytic removal of TiN coatings/

E. V. Parfenov, R. R. Nevyantseva, S. A. Gorbatkov // Part 1: Duration control.

Surf.Coat.Technol., 2005. – V.199. – P.189-197.

90. Магурова, Ю. В. Влияние катодной составляющей на процесс

микроплазменного оксидирования сплавов алюминия переменным током /

Ю. В. Магурова, А.В. Тимошенко // Защита металлов. – 1995. – Т. 31. – №4. –

С. 414-418.

91. Yerokhin, A. L. Discharge characterization in plasma electrolytic oxidation

of aluminium / A. L. Yerokhin, L. O. Snizhko, N. L. Gurevina, A. Leyland,

A. Pilkington, A. Matthews // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2003. – V. 36. –

№ 17.– P. 2110-2120.

92. Parfenov, E. V. Small signal frequency response studies for plasma electrolytic

oxidation / E. V. Parfenov, A. Yerokhin, A. Matthews // Surface and Coatings

Technology. – 2009. – Vol. 203. – P. 2896-2904.

93. Мукаева, В. Р. Анализ оптического и звукового излучения при электролитно-

плазменном полировании / В. Р. Мукаева, М. В. Горбатков, А. О. Тимофеев //

Научные труды Международной научной конференции XXXVIII Гагаринские

чтения в 8 томах. – М.: МАТИ, 2012. – Т3. – C. 83-84.

94. Paulmier, T. Development of a novel cathodic plasma/electrolytic deposition

technique part 1: Production of titanium dioxide coatings / T. Paulmier, J. M. Bell,

P. M. Fredericks // Surface and Coatings Technology. - 2007. - Vol. 201. -

P. 8671-8770.

Page 168: Mukaeva diss

168

95. Mecuson, F. Diagnostics of an electrolytic microarc process for aluminium alloy

oxidation / F. Mecuson, T. Czerwiec, T. Belmonte, L. Dujardin, A. Viola, G. Henrion //

Surface and Coatings Technology. – 2005. – Vol. 200. – P. 804-808.

96. Локтев, Д. Е. Исследование параметров электролитно-плазменного поли-

рования низколегированной стали методом планирования полного факторного

эксперимента / Д. Е. Локтев, Л. А. Ушомирская, В. И. Новиков //

Металлообработка. – 2009. – № 5. – С. 15-18.

97. Хартман, К. Планирование эксперимента в исследовании технологических

процессов / К. Хартман, Э. К. Лецкий, В. Шеффер. – М.: Мир. – 1977. – 544 с.

98. Парфенов, Е. В. Управление технологическими процессами электролитно-

плазменной обработки на основе пассивной идентификации свойств

поверхностного слоя/ Е. В. Парфенов // Вестник УГАТУ. – 2011. – Т. 15. – № 4. –

C. 215-224.

99. А.с. СССР №1130735, МКИ3 G 01 В 7/34. Способ контроля шероховатости

электропроводящей поверхности. Публ. 23.12.84.

100. А.с. СССР №1474452, МКИ4 G 01 В 7/34. Способ контроля шероховатости

поверхности электропроводящих изделий и устройство для его осуществления.

Публ.23.04.89

101. А.с. СССР N 1120159, МКИ3 G 01 B 7/34. Способ измерения шероховатости

поверхности электропроводящих изделий. Публ. 23.10.84.

102. Новиков, В. И. Повышение эффективности изготовления сложно-

профильных деталей из легированных сталей методом электролитно-плазменного

полирования: дисс. … канд. тех. наук: 05.02.07 / В. И. Новиков. – Санкт-

Петербург. – 2010. – 148 с.

103. Быбин, А. А. Оптимизация процесса электролитно-плазменного удаления

алюминидного покрытия со сплава ЖС-6У / А. А. Быбин, Е. В. Парфенов,

В. Р. Мукаева // Научные труды Международной научной конференции XXXV

Гагаринскиечтения в 8 томах. – М.: МАТИ, 2009. – Т3. – С. 87-88.

Page 169: Mukaeva diss

169

104. Пат. Российская Федерация № 2360045 C25 F 5/00. Способ определения

момента окончания процесса электролитно-плазменного удаления покрытия /

Е. В. Парфенов, Р. Р. Невьянцева, А. А. Быбин. – Опубл. 27.06.2009.

105. Boinet, M. Plasma electrolytic oxidation of AM60 magnesium alloy: Monitoring

by acoustic emission technique. Electrochemical properties of coatings / M. Boinet,

S. Verdier, S. Maximovitch, F. Dalard // Surface and Coatings Technology. – 2005. –

Vol. 199. – P. 141-149

106. Пат. РФ № 2119975 C 25 F 5/00. Способ определения момента окончания

процесса электролитно-плазменного удаления покрытия / Н. А. Амирханова,

Р. Р. Невьянцева, Т. М. Тимергазина, Е.В. Парфенов. – Опубл. 10.10.1998.

107. Пат. РФ № 2227181 C 25 F 5/00. Способ определения момента окончания

процесса электролитно-плазменного удаления покрытия / Р. Р. Невьянцева,

С. А. Горбатков, Е. В. Парфенов, А. А. Быбин. – Опубл. 20.04.2004.

108. Омату, С. Нейроуправление и его приложения / С. Омату, М. Халид, Р. Юсоф

– М.: ИПРЖР, 2000. – 272 с.

109. Васильев, В.И. Интеллектуальные системы управления. Теория и практика. /

В. И. Васильев, Б. Г. Ильясов. – М.: Радиотехника, 2009. – 392 с.

110. Demuth, H. Neural Network Toolbox User’s Guide / H. Demuth, M. Beale.

The MathWorks, Inc., 2001. – 430 р.

111. Медведев, В. С. Нейронные сети. MATLAB 6 / В. С. Медведев,

В. Г. Потемкин. – М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2002. – 496 с.

112. Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий /

Ю. П. Адлер, Е. В. Маркова, Ю. В. Грановский. М. : Наука, 1976. – 279 с.

113. Бадамшин, Р.А. Математическое моделирование системы автоматической

оптимизации процесса электролитно-плазменного удаления покрытия /

Р. А. Бадамшин, А. А. Быбин, С. А. Горбатков и др. // Информатика и системы

управления : меж-вуз. сб. науч. тр. Красноярск : НИИ ИПУ, 1999. – С. 74-77.

Page 170: Mukaeva diss

170

114. Парфенов, Е. В. Обобщенная математическая модель технологического

процесса электролитно-плазменного удаления покрытий / Е. В. Парфенов,

Р. Р. Невьянцева, А. А. Быбин // Вестник УГАТУ. Управление, вычислительная

техника и информатика. – 2007. – Т. 9. – №7(25). – С. 33-40.

115. Wasserman, P. D. Advanced Methods in Neural Computing. – New York: Van

Nostrand Reinhold, 1993. – P. 155-161.

116. Донской, Д. А. Моделирование искусственных нейронных сетей в системе

MATLAB / Д. А. Донской, Б. Д. Шашков, Д. М. Деревянчук, Н. В. Деревянчук,

Ю. Г. Квятковский, Н. В. Слепцов, С. Н. Трофимова / Методические указания

к выполнению лабораторных работ. – Пенза, 2005. – 63 с.

117. Платы L-7xx, L-card: техническое описание, руководство программиста. –

М.: СОЛОН, 2003. – 113 с.

118. Мукаева, В. Р. Исследование процесса электролитно-плазменного

полирования стали 20Х13 / В. Р. Мукаева, А. А. Быбин, А. О. Тимофеев //

Научные труды Международной научной конференции XXXVI Гагаринские

чтения в 8 томах. – М.: МАТИ, 2010. – Т3. – С. 97-98.

119. Парфенов, Е.В. Электрохимические аспекты электролитно-плазменного

полирования стали 20Х13 / Е. В. Парфенов, В. Р. Мукаева, А. О. Тимофеев //

Научные труды ХХ Рос. Молодеж. науч. конф., посвящ. 90-летию УрГУ

им. А.М. Горького. – Екатеринбург: Изд-во Урал. Ун-та, 2010. – С. 175-176.

120. Кремер, Н. Ш. Эконометрика: Учебник для вузов/ Н. Ш. Кремер,

Б.А. Путко – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2002. – 311 с.

121. Каленков, С. Г., Практикум по физике. Механика: Учеб.пособие для

студентов вузов/ С. Г. Каленков, Г. И. Соломахо – М.: Высш. шк., 1990. – 111 с.

122. Мукаева, В. Р. Моделирование процесса электролитно-плазменного

полирования как объекта управления с использованием пакета SIMULINK /

В. Р. Мукаева, М. В. Горбатков // Актуальные проблемы в науке и технике.

Page 171: Mukaeva diss

171

Сборник статей 8-й Всерос. зимн. шк.-сем. аспир. и молодых ученых. – Уфа:

УГАТУ, 2014. – Т. 2. – С. 162-165.

123. Михайлов, А. С. Проблемы и перспективы использования искусственных

нейронных сетей для идентификации и диагностики технических объектов /

А. С. Михайлов, Б. А. Староверов // Вестник ИГЭУ. – 2013. – с. 64-68.

124. Бесекерский, В. А. Теория систем автоматического управления /

В. А. Бесекерский, Е. П. Попов – СПб., Профессия, 2007 г. – 752 с.

125. Горбатков, С.А. Эконометрика: авторский курс лекций / С. А. Горбатков. –

Уфа: Филиал ВЗФЭИ в г. Уфа. – 2008 г. – 53 с.

126. Parfenov, E. V. Methodology of Data Acquisition and Signal Processing for

Frequency Response Evaluation during Plasma Electrolytic Surface Treatments /

E. V. Parfenov, A. Yerokhin // Process Control: Problems, Techniques

and Applications. Ed. S. P. Werther. – New York: Nova Publ., 2011. – P. 63-96. –

ISBN 978-1-61209-567-7.

127. Парфенов Е. В. Дисс. на соискание уч. степени д.т.н. «Управление

технологическими процессами электролитно-плазменной обработки деталей

энергетических машин на основе спектральных методов диагностики состояния

объекта» . – Уфа. – 2012. – 371 с.

128. Свид. о гос. рег. программы для ЭВМ. № 2010615514. Программа управления

генератором сигналов для импедансной спектроскопии процесса электролитно-

плазменной обработки / Е. В. Парфенов, В. Р. Мукаева., А. О. Тимофеев. Зарег.

27.08.2010.

129. Котельников, В. А. О пропускной способности «эфира» и проволоки

в электросвязи / В. А. Котельников // Успехи физических наук. – 2006. – № 7. –

С. 762-770.

130. Свид. о гос. рег. программы для ЭВМ. № 2012616406. Программный

комплекс для электролитно-плазменной импедансной спектроскопии FRAnalysis /

Е. В. Парфенов, А. Л. Ерохин, В. Р. Мукаева. Опубл. 13.07.2012.

Page 172: Mukaeva diss

172

131. Мукаева, В. Р. Исследование частотных характеристик процессов

электролитно-плазменной обработки / В. Р. Мукаева // Актуальные проблемы

в науке и технике. – Уфа: УГАТУ, 2013. – Т2. – с. 198-201.

132. Yerokhin, A. L. Plasma electrolysis for surface engineering. Review /

A. L. Yerokhin, X. Nie, A. Leyland, A. Matthews, S. J. Dowey // Surface and Coatings

Technology. – 1999. – Vol. 122. – P. 73-79.

133. Yerokhin, A. System linearity quantification for in-situ impedance spectroscopy

of plasma electrolytic oxidation / A. Yerokhin, E. V. Parfenov, C. J. Liang,

V. R. Mukaeva, A. Matthews // Electrochemistry Communications, 2013. – Vol. 27. –

Р. 137–140.

134. Тихонов, А. Н. Математическое моделирование технологических процессов

и метод обратных задач в машиностроении / А. Н. Тихонов, В. Д. Кальнер,

В. Б. Гласко – М.: Машиностроение, 1990. – 264 с.

135. Заболотнов, Ю. М. Оптимальное управление непрерывными динамическими

системами / Ю. М. Заболотнов. – Самара: СГАУ, 2005. – 129 с.

136. Летов, А. М. Динамика полета и управление / Летов А. М. – М.: Наука, 1969.

– 360 с.

137. Раппопорт, Э. Я. Анализ и синтез систем автматического управления

с распределенными параметрами: Учеб.пособие / Э. Я. Раппопорт. – М.: Высшая

школа, 2005. – 292 с.

138. Юдин, Д. Б. Задачи и методы линейного программирования / Д. Б. Юдин,

Е. Г. Гольштейн. – М.: Советское радио, 1961. – 492 с.

139. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров/

Г. Корн, Т. Корн. – М.: Наука, 1973. – 832 с.

140. Мэтьюз, Д. Г. Численные методы. Использование MATLAB / Д. Г. Мэтьюз,

К. Д. Финк. – М., СПб.: Вильямс, 2001. – 716 c

Page 173: Mukaeva diss

173

141. Бородакий, Ю. В. Линейное программирование в современных задачах

оптимизации / Ю. В. Бородакий, А. М. Загребаев, А. Н. Крицына,

Ю. П. Кулябичев, Ю. Ю. Шумилов. – М.: МИФИ, 2008. – 188 с.

142. Парфенов, Е. В. Аппаратное и программное обеспечение активной

идентификации процесса электролитно-плазменной обработки / Е. В. Парфенов,

В. Р. Мукаева // Научные труды Международной научной конференции XXXIV

Гагаринские чтения в 8 томах. – М.: МАТИ, 2008. – Т3. – С. 160-161.

143. Парфенов, Е. В. Автоматизированная установка для исследования частотных

характеристик процессов электролитно-плазменной обработки / Е. В. Парфенов,

В. Р. Мукаева // Научные труды Международной научной конференции XVI

Туполевскиечтения, – Казань: КГТУ, 2008. – Т3. – С. 328-329.

144. Гусев, В. Г. Электроника и микропроцессорная техника / В. Г. Гусев,

Ю. М. Гусев. – М.: Высшая школа, 2008 . – 796 с.

145. Gardner, W.A. Statistical Spectral Analysis: A Nonprobabilistic Theory. – New

York: Prentice Hall, 1988. – 591 p.

146. Oppenheim, A.V. Discrete-Time Signal Processing. – New York: Prentice Hall,

1999. – 855 p.

147. Дьяконов, В. MATLAB. Обработка сигналов и изображений. Специальный

справочник / В. Дьяконов, И. Абраменкова. – Спб.: Питер, 2002. – 608 с.

148. Мукаева, В. Р. Программный анализ данных при измерении частотных

характеристик процесса электролитно-плазменной обработки / В. Р. Мукаева,

Е. В. Парфенов, А. О. Тимофеев // Материалы всероссийской научной

конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» в 7-ми томах. –

Новосибирск: НГТУ, 2009. – Т1. – С. 211-213.

149. National Instruments Россия. [Электронный ресурс]. – Россия 2013. - Режим

доступа: http://www.labview.ru/- 18.04.2013

150. Macdonald, J. R. Impedance Spectroscopy. Emphasizing Solid Materials and

Systems. New York: Wiley-Interscience, 1987. – 550 p.

Page 174: Mukaeva diss

174

151. Федосов, В. П. Цифровая обработка сигналов в LabVIEW: учеб. пособие /

В. П. Федосов, А. К. Нестеренко. – М.: ДМК Пресс, 2007. – 456 с.

152. Беспалов, Н. Проектирование виртуальных измерительных приборов

в LabVIEW: лаборатор. практикум / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин. – Саранск:

Издательство Мордовского университета, 2009. – 92 с.

153. Суранов, А. Я. LabVIEW 8.20: Справочник по функциям. – М.: ДМК Пресс,

2007. – 536 с.

154. Евдокимов, Ю. К. LabVIEW для радиоинженера - от виртуальной модели

до реального прибора. Практическое руководство для работы в программной

среде LabVIEW / Ю.К. Евдокимов В.Р. Линдваль, Г.И. Щербаков. – М.: ДМК

Пресс, 2007. – 400 с.

155. ГОСТ Р МЭК 60204-1 Безопасность машин. Электрооборудование машин

и механизмов.

156. Свид. о гос. рег. программы для ЭВМ. № 2013618088. Программа

микроконтроллера для спектральной диагностики и управления процессами

электролитно-плазменной обработки / Е. В. Парфенов, М. В. Горбатков,

В. Р. Мукаева. Опубл. 29.09.2013.

157. Горбатков, М. В. Аппаратно-программный комплекс для диагностики

и управления процессом электролитно-плазменной обработки / М. В. Горбатков,

В. Р. Мукаева // Актуальные проблемы в науке и технике. Сб. ст. 8-й Всерос.

зимн. шк.-сем. аспирантов и молодых ученых. – Уфа: УГАТУ, 2012. – Т2. –

С. 66-69.

158. Горбатков, М. В. Импульсный блок спектральной диагностики электролитно-

плазменных и электрохимических процессов / М. В. Горбатков, Е. В. Парфенов,

В. Р. Мукаева, А. Л. Ерохин // Современные методы в теоретической

и экспериментальной электрохимии. Электрохимические и электролитно-

плазменные методы модификации металлических поверхностей: Тез. докл.

междунар. молодежн. науч. конф. – Иваново: ИХР РАН, 2013. –

С. 95.

Page 175: Mukaeva diss

175

ПРИЛОЖЕНИЯ

Page 176: Mukaeva diss

176

Приложение А

Page 177: Mukaeva diss

177

Приложение B