Управление процессом электрохимического формообразования металла с помощью аппаратно-программной платформы Arduino

Размещено на http://www.allbest.ru/

Управление процессом электрохимического формообразования металла с помощью аппаратно-программной платформы Arduino

Герасимова Ю.В.,

Ивель В.П.,

Петров П.А.

Совершенствование конструкции изделия машиностроительного производства связано с необходимостью применения новых конструкционных материалов, обладающих особыми свойствами, и поэтому возникает ряд технологических проблем при обработке новых материалов или изготовлении изделий, форма поверхности которых и ее состояние не могут быть получены известными механическими методами. Наряду с обработкой особо прочных материалов большие трудности представляет обработка изделий сложного профиля, например, при проектировании подводных робототехнических систем существуют определенные проблемы при изготовлении гребных винтов, гидро и пневмоклапанов, деталей малоразмерных компрессоров высокого давления. Схожие проблемы существуют и в медицине (создание специального инструментария), в радиотехнике и приборостроении (создание микрозондов, микродатчиков и т.д.) и ряде других. В настоящее время для решения вышеперечисленных технологических задач нашли широкое применение электрохимические методы обработки, позволяющие обрабатывать материалы с высокими механическими свойствами без применения больших механических усилий и с применением инструментов, твердость которых значительно меньше твердости обрабатываемого материала. Кроме того, электрохимические методы позволяют производить локальную обработку материалов без изменения свойств материала детали, а в некоторых случаях и улучшать физико-механические свойства (уничтожать наклеп, удалять прижоги, повышать антикоррозийные свойства, улучшать электрофизические свойства - электропроводность и магнитную проницаемость и др.).

Электрохимическая размерная обработка и формообразование - это способы обработки металлов, основанные на высокоскоростном растворении материала заготовки при одновременном воздействии постоянного или импульсного тока высокой плотности и потока электролита, поступающего через малый зазор между материалом заготовки и катодом-инструментом. Используется для изготовления деталей с заданными формой, размерами и качеством поверхности и для получения сложных профилей отверстий и пазов в твердых, высокопрочных, труднообрабатываемых механическими способами материалах; является более производительным процессом, обеспечивающим высокую точность и хорошее качество поверхности.

Свое начало электрохимия, как технологический метод, берет от процесса электролитического полирования, предложенного еще в 1911 г. известным русским химиком Е. Шпитальским.

В начале 20 века исследователями в России. Западной Европе, США были предложены различные способы и технологические схемы применения ЭХО для размерной обработки деталей, преимущественно на операциях копирования и прошиваний отверстий различной формы.

Российскими инженерами В.Н. Гусевым и Л. Рожковым в 1928 году известная к этому времени технологическая схема ЭХО была существенно усовершенствована [1], за счет принудительной интенсивной прокачки электролита через межэлектродное пространство (МЭП) и перемещения (подачи) электрод-инструмента (ЭИ) со скоростью, равной скорости анодного растворения. Это позволило увеличить плотность тока и уменьшить рабочие межэлектродные зазоры и, соответственно, повысить выходные технологические показатели ЭХО (точность, качество поверхности и производительность).

Основные сведения об этом способе были впервые изложены позже в монографии [2]. Начало интенсивного применения этого метода относится к началу шестидесятых годов.

Большое влияние на развитие исследований в области ЭХО оказали крупные отечественные и зарубежные ученые, в частности, В.Н. Гусев, Ф.В. Седыкин, И.И. Мороз, Ю.Н. Петров, Л.М. Щербаков, В.П. Смоленцев, А.Х. Каримов, Г.Н. Корчагин, Ю.С. Волков, А.Л. Крылов, Л.Б. Дмитриев, В.И. Филин, В.В. Любимов, А.И. Дикусар, Г.Н. Зайдман, А.Д. Давыдов, В.П. Житников, А.Н. Зайцев, Е.М. Румянцев, Л.М. Котляр, З.Б. Садыков, В.В. Клоков, Е.И. Филатов, В.М. Волгин, Y.G. Nilson, Н. Tipton, J.A. McGeough, J. Kozak, R.C. Hewson-Browne, Y.G. Tsuei, H. Rasmussen, M.B. Nanayakara, V.K. Jain, RC. Pandey, L. Dabrowski и другие.

Исследование теоретических проблем, связанных с размерной электрохимической обработкой, представляют большой научный и практический интерес. Здесь переплетаются вопросы теоретической электрохимии, электродинамики, массопереноса многофазных сред, гидродинамики и теплопередачи в этих средах, управления процессом при непрерывном и импульсном режимах, многочисленных конструкционных вариантов проектирования и изготовления оборудования. Важную роль в решении этих проблем на современном этапе отводится математическому моделированию процесса ЭХО. И хотя вопросам моделирования процессов ЭХО посвящено большое количество работ, до сих пор не сформирован единый подход к созданию автоматических систем управления процессами ЭХО. Научные публикации и работы в этом направлении носят единичный и разрозненный характер. Это объясняется тем обстоятельством, что процессы ЭХО для большинства способов формообразования носят многопараметрический, нелинейный и нестационарный характер.

Таким образом, создание теоретических основ и технологических методов автоматизации процессов электрохимического формообразования позволит ускорить развития таких отраслей промышленности как робототехника, медицинская техника, приборостроение и энергетика, а полученные практические результаты могут быть использованы для дальнейшего развития общей теории электрохимической обработки металлов и сплавов. электрохимический формообразование металл

Автоматизация процессов электрохимического формообразования предусматривает следующие процедуры:

1. Определение методики измерения и исследования параметров электрохимических и гидродинамических параметров технологического процесса электрохимической обработки металла.

2. Разработка математической модели исследуемого технологического процесса, первичными составляющими в которой являются электрические поля в межэлектродном промежутке, а вторичными составляющими - гидродинамические процессы и процессы тепло-массопереноса.

3. Декомпозиция общей задачи управления технологическим процессом, построение иерархической структуры системы управления, определение взаимозависимых и независимых задач управления. Структурная оптимизация всех уровней управления, синтез единой системы управления технологическим процессом ЭХО.

4. Разработка компьютерной модели, объединяющей математическую модель технологического процесса, как объекта управления, и саму систему управления.

5. Построение экспериментальной установки состоящей из бассейна (ванны) с электролитом, электродов, источников питания, датчиков, фильтров, насоса, системы управления (компьютер, программно-аппаратный интерфейс, соединительные блоки, линии связи и т.д.).

Такая методология предполагает использование теории нечетких множеств и компьютерного моделирования, аппарата оптимизации и адаптации, теорию идентификации систем.

В качестве возможных альтернативных путей реализации такой задачи, т.е. иной принцип построения системы управления, может быть предложен метод управления, основанный на нейронных сетях.

В настоящее время существует несколько способ автоматизированного адаптивно-программного электро-химического формообразования металла. Управляющих блоком таких систем, как правило, является микроконтроллер. В данной статье рассматривается возможность использования микроконтроллера ATMega-328Р платформы Arduino Uno.

Arduino представляет собой линейку электронных плат, которые можно подключить к компьютеру по USB, а в качестве периферии - любые устройства от светодиодов до механизмов радиоуправляемых моделей и роботов. Arduino - доступная, удобная и дешевая платформа для автоматизации [3]. Это небольшая плата на базе микроконтроллера, на которой также присутствуют элементы обвязки для программирования и интеграции с другими схемами (рис. 1).

Рисунок 1. Платформа Arduino Uno

Программы для Arduino пишутся на простом и интуитивно понятном си-подобном языке Arduino.

В данном случае, для программирования микроконтроллера предлагается использовать прикладной пакет Simulink программы MatLab [4]. Для этого разрабатывается компьютерная Simulink-модель блока управления процесса формообразования металла. Для этого необходимо скачать и установить отдельные пакеты MatLab, необходимые для работы с платой Arduino Uno. На рисунке 2 изображен интерфейс программного обеспечения MatLab 2012b с установленным пакетом Target for use with Arduino Hardware.

Рисунок 2. Интерфейс программного обеспечения MatLab с установленным пакетом для работы с платформой Arduino Uno

После перечисленных действий проводится проверка работы микроконтроллера с помощью измерительной аппаратуры и периферийных устройств. Такой способ программирования позволит еще на этапе разработки виртуальной модели проверить и откорректировать весь алгоритм работы блока управления.

Такое аппаратно-программное решение проблемы электро-химического формообразования металла дает ряд достоинств, в числе которых: простота реализации, возможность внесения изменения модели путем перестроения блоков управления, возможность подключения сразу нескольких отладочных плат для управления процессом ЭХО металла.

Адаптивно-программное ЭХО металла исследуется в стенах СКГУ им. М. Козыбаева в рамках научно-исследовательской работы по гранту Комитета МОН РК. Результатом этих научных исследований должны стать: одна диссертация на соискание степени доктора PhD, три инновационных патента, одна монография, пять статей в казахстанских (Вестник НИА РК) и зарубежных журналах (Международный научный журнал "Наука и мир" ISSN 2308-4804) по тематике исследований.

В результате реализации такого проекта запланировано создание экспериментальной специализированной лаборатории по изготовлению опытных образцов изделий с использованием электрохимических технологий.

Целевыми потребителями разработанной автоматизированной системы могут стать предприятия медицинского приборостроения, станкостроения, предприятия по производству роботов и т.д.

Литература

1. Bannard 1.Electrochemical machining (reviev) // J. of Appl. Electrochemistry, 1977, v.7, № 1, p. 1-29.

2. Гусев B.H. Анодно-механическая обработка металлов. Основные сведения. М.-Л.: Машгиз, 1952, 36 с.

3. Официальный русскоязычный сайт платформы Arduino http://arduino.ru/.

4. Лазарев Ю. Моделирование процессов и систем в MATLAB. Учебный курс. - СПб.: Питер: Издательская группа BHV, 2005 - 512 с.

Размещено на Allbest.ru