Наукові основи об'єктивного цифрового визначення та стабілізації параметрів технологічних процесів рулонних друкарських машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

УДК 655.3.022: 655.3.062

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Наукові основи об'єктивного цифрового визначення та стабілізації параметрів технологічних процесів рулонних друкарських машин

Спеціальність 05.05.01 - Машини і процеси поліграфічного виробництва

Морфлюк Валерій Федорович

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Видавничо-поліграфічному інституті Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут», Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України Киричок Петро Олексійович, директор Видавничо-поліграфічного інституту НТУУ «КПІ» (м. Київ), завідувач кафедри технології поліграфічного виробництва.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України Лазаренко Едуард Тимофійович, Українська академія друкарства, м. Львів, професор кафедри друкованих видань та паковань;

доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України Стародуб Микола Павлович, Банкнотно-монетний двір, директор Центру досліджень та розвитку технологій;

доктор технічних наук, професор Пальчевський Богдан Олексійович, Луцький державний технічний університет, м. Луцьк, завідувач кафедри пакування і автоматизації виробничих процесів.

Захист відбудеться 24 грудня 2010 р. о 14³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.10 в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут», м. Київ, вул. Володимирська, 7, корпус № 25.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут», м. Київ, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий «18 « листопада 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.А .Ковальов.

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Науково-технічні розробки останнього десятиліття розширили теоретичні і прикладні аспекти способів друкування книжково-журнальної, рекламної та етикетко-пакувальної продукції. Але, не дивлячись на прогрес у проектуванні та експлуатації видавничо-поліграфічних комплексів як систем отримання, передачі, обробки різнорідної інформації, та прийняття рішення для прогнозованого керування технологічними процесами, залишаються не вирішеними проблеми ідентичності відбитків упродовж друкування накладу на сучасних рулонних друкарських машинах за рахунок стохастичності зміни параметрів технологічних процесів та нестабільності властивостей витратних матеріалів.

Вказані проблеми пов'язані з забезпеченням точності й достовірності визначення технологічних параметрів процесу друку та вибору ефективних напрямків і режимів стабілізації визначених параметрів, які необхідно досліджувати в інтеграції, як цілісну, параметрично пов'язану систему, результатом функціонування якої повинно стати підвищення якості друкованої продукції.

Сучасне та майбутнє друкарства в значній мірі залежить від новітніх розробок методів та засобів об'єктивного визначення та стабілізації параметрів поліграфічного устаткування у реальному масштабі часу, тобто комплексної автоматизації технологічних та виробничих процесів, які надають можливість аналізу якості параметрів на проміжних етапах та при випуску готової продукції.

Методи та засоби їх реалізації, що застосовуються в теперішній час для визначення та стабілізації параметрів процесу друку використовують в значній мірі технології, в яких закладено ідеологію суб'єктивної або напівавтоматичної реалізації функцій вимірювання, аналізу та стабілізації, що не дозволяє застосування об'єктивних методів реалізації, які найбільш перспективні при використанні сучасних засобів дискретної обробки інформації та регулювання технологічними процесами рулонних друкарських машин у реальному масштабі часу.

Програмно-технічні засоби об'єктивного цифрового визначення та стабілізації технологічних параметрів процесів друку визначають перспективність побудови систем на основі структурної організації програмних засобів з використанням проблемною орієнтацією, яка дозволяє інтеграцію опису процесів вимірювання, аналізу та стабілізації та забезпечує уніфікацію опису технологічних параметрів та їх обробки.

У зв'язку з цим актуальною науково-прикладної проблемою є розробка наукових основ побудови програмно-технічних засобів об'єктивного цифрового визначення та стабілізації параметрів технологічних процесів для забезпечення необхідної якості готової продукції.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота пов'язана з галузевою програмою «Забезпечення потреб України машинами та устаткуванням для поліграфічної промисловості», відповідає концепції національної інформаційної політики України, Закону України «Про пріоритетні напрямки інноваційної діяльності в Україні» № 433-IV від 16 січня 2003 р. та основним напрямам науково-технічного розвитку книговидання і преси до 2010 p., затвердженим Наказом Держкомтелерадіо № 180 від 21 липня 2003 р.

Дисертаційна робота виконувалась: у межах держбюджетних тем науково-інженерного центру проблемно-орієнтовних інформаційних технологій Видавничо-поліграфічного інституту Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» (НІЦ ПОІНТ ВПІ НТУУ «КПІ»): «Дослідження характеристик волокнистих матеріалів та розробка композиційного складу паперу для друку офортів» № держреєстрації 0100U000702, «Створення нових очищувальних технологічних розчинів для якісного багатофарбового репродукування» № держреєстрації 0103U000202 та «Розробка та дослідження композиційного складу УФ-лаку для оптимізації технологічного процесу лакування друкованої продукції по сирому» № держреєстрації 0106U002513, в яких здобувачем проведено експериментальні дослідження цифрового визначення технологічних характеристик УФ-лаку та волокнистих матеріалів для створення композиційного складу офортного паперу та УФ-лаку та аналізу параметрів очищувальних технологічних розчинів, розроблено засоби оперативного контролю технологічних параметрів друкованої продукції та концепцію побудови автоматизованих систем вимірювання та аналізу на основі програмних засобів з проблемною орієнтацією.

За тематикою дисертаційної роботи здобувач здійснював наукове керівництво науково-дослідними роботами за держбюджетною тематикою: «Розробка та дослідження засобів автоматизації програмування для управління обладнанням у інтерфейсі канал загального користування «- реєстраційний номер програми 05.04-МВ/**-93, де окреслено i розроблено набір уніфікованих програмних функцій для обміну інформацією та розроблено процедури автоматичного управління вимірювальними приладами; «Розробка програмно-технічних засобів сполучення на базі волоконно-оптичних ліній зв'язку для створення систем реального часу» - № держреєстрації 0195U008181, де визначено основі напрямки побудови програмно-технічних засобів у реальному масштабі часу; «Розробка та дослідження засобів потокової передачі та обробки інформації вимірювальних приладів - № держреєстрації 0197U001337, де досліджено проблеми підвищення швидкодії передачі та обробки інформації для визначення параметрів вимірювання; за госпдоговірними темами №1/140 «Розробка автоматизованої системи керування натягом полотна паперу або плівки для флексографічних друкарських машин» - № держреєстрації 0102U006742 та №28 «Розробка засобів автоматизації стрічкопровідних підсистем рулонних друкарських машин» - № держреєстрації 0203U006632, які проводились за тематикою Українського науково-дослідного інституту спеціальних видів друку (ВАТ «УкрНДІСВД») розроблено нові принципи автоматичного визначення поздовжнього та поперечного суміщення фарб, натягу та бокового зміщення задруковуваного матеріалу у рулонних друкарських машинах, визначено напрямки їх стабілізації у реальному масштабі часу.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає у теоретичній розробці та експериментальному обґрунтуванні наукових основ об'єктивного цифрового визначення та стабілізації параметрів технологічних процесів рулонних друкарських машин для забезпечення якості друкованої продукції.

Для досягнення поставленої мети необхідно було розв'язати такі завдання:

- проаналізувати сучасний стан процесів контролю та регулювання параметрів технологічних процесів у рулонних друкарських машинах та визначити загальні тенденції побудови перспективних методів та засобів об'єктивного цифрового визначення та стабілізації параметрів технологічних процесів;

- на основі системного підходу дослідити та розробити узагальнену інформаційну модель процесу визначення та стабілізації технологічних параметрів у рулонних друкарських машинах та визначити напрямок ефективного проектування систем стабілізації у реальному масштабі часу;

- розробити новий метод об'єктивного статистичного визначення технологічних параметрів на основі використання цифрових програмно-апаратних засобів вимірювання та обробці інформації згідно розподілення Гауса, критерію ² та Шовене;

- визначити синтаксис опису методів, засобів та процесів об'єктивного визначення та стабілізації технологічних параметрів на основі використання формальних граматик та побудувати ефективну систему інтерпретації компонентів опису;

- розробити новий інтегрований метод об'єктивного цифрового визначення параметрів суміщення фарб на основі ідентифікації цифрових параметрів імпульсних сигналів при скануванні технологічних міток, який забезпечує оптимізацію часу та високу точність стабілізації суміщення фарб;

- провести аналіз та визначити аналітичні залежності для оптимальної температурної стабілізації суміщення фарб;

- встановити аналітичні залежності для розробки алгоритмів прогнозованого визначення напрямку стабілізації технологічних параметрів процесу друку;

- розробити програмні засоби об'єктивного цифрового визначення та стабілізації параметрів технологічних процесів з використанням структурної організації прикладних програм;

- провести експериментальні дослідження методів та засобів процесів об'єктивного цифрового визначення та стабілізації технологічних параметрів на основі структурної організації машино-орієнтованих, проблемно-орієнтованих і мультипрограмних засобів та визначити їх адаптацію до зміни технологічного середовища;

- застосувати розроблені методи та засоби при реалізації систем автоматичної стабілізації параметрів технологічних процесів.

Об'єктом дослідження є процеси об'єктивного визначення та прогнозованої стабілізації параметрів технологічних процесів у рулонних друкарських машинах.

Предметом дослідження є методи та засоби побудови систем об'єктивного цифрового визначення параметрів технологічних процесів та їх прогнозованої стабілізації у рулонних друкарських машинах.

Методи дослідження. Застосування методів дослідження ґрунтуються на загальнонаукових принципах дослідження, які стосуються історичного і системного підходів та методів моделювання, що забезпечує аналіз та оцінювання попередніх теорій у контексті виникнення, становлення та прогнозування їх сучасної побудови. Для побудови засобів об'єктивного цифрового визначення та стабілізації параметрів технологічних процесів використовувались методи математичної логіки, методи формальних граматик, теорія вимірювань, теорія цифрової обробки сигналів, фізичне та математичне моделювання, об'єктивні методи статистичної обробки результатів експерименту та визначення аналітичних залежностей у пакеті прикладного програмного забезпечення Excel 2000.

Наукова новизна одержаних результатів. За результатами виконання роботи уперше:

1) розроблено та обґрунтовано структурну схему узагальненої інформаційної моделі визначення та стабілізації технологічних параметрів процесу друку, яка визначає перспективи для побудови засобів об'єктивного визначення технологічних параметрів та оптимізацію часу, необхідного для виявлення та стабілізації прогнозованих відхилень технологічних параметрів;

2) запропоновано та розроблено комплексний метод об'єктивного статистичного оцінювання та визначення статичних параметрів технологічних процесів, що є засобом забезпечення достовірності результатів вимірювання у реальному масштабі часу;

3) обґрунтовано та розроблено інтегрований метод об'єктивного визначення параметрів повздовжнього та поперечного суміщення фарб на основі цифрової обробки параметрів імпульсних сигналів, який забезпечує підвищення точності визначення та стабілізації параметрів суміщення фарб;

4) на основі результатів математичного моделювання процесів суміщення фарб встановлено аналітичні залежності визначення можливого зміщення фарб на наступних секціях друку для прогнозованої стабілізації поздовжнього суміщення фарб, що надає можливість мінімізації часу для процесів стабілізації технологічних параметрів;

5) запропоновано механізм структурної організації програмних засобів визначення та стабілізації параметрів технологічних процесів, що дозволяє оптимізувати процеси стабілізації параметрів у реальному масштабі часу за рахунок паралельності процесів програмної обробки та процесів апаратної стабілізації технологічних параметрів;

6) обґрунтовано та розроблено нову концепцію побудови формального опису процесів та засобів об'єктивного цифрового визначення та стабілізації технологічних параметрів процесу друку та систему інтерпретації інтегрованого середовища компонентів структури опису, що забезпечує ефективність організації прикладних програмних засобів на основі інтегрованих оболонок, побудованих з використанням модульного принципу.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблена нова концепція побудови систем об'єктивного цифрового визначення та стабілізації параметрів технологічних процесів в рулонних друкарських машинах, яка забезпечує надійність та достовірність реалізації процесів автоматичного визначення та прогнозованої стабілізації технологічних параметрів, що є запорукою підтримки необхідної якості друкованої продукції. Це обумовлює наступні можливості :

- здійснювати опис процесів об'єктивного цифрового визначення та прогнозованої стабілізації технологічних параметрів на єдиній інформаційній базі, що надає передумови для побудови технологічних систем стабілізації процесу друкування, із використанням програмно-технічних засобів з проблемною орієнтацією;

підвищити точність та достовірність визначення поздовжнього та поперечного суміщення фарб за рахунок переходу до об'єктивних методів цифрового обчислення параметрів імпульсних сигналів, що дозволяє забезпечити суттєве покращення якості друкованої продукції;

забезпечити динамічну підтримку необхідної точності стабілізації натягу полотна та бокового зміщення задруковуваного матеріалу на основі методу статистичного вимірювання технологічних параметрів у реальному масштабі часу;

автоматизувати процес визначення та стабілізації параметрів технологічних процесів на основі швидкодіючих програмно-апаратних засобів аналого-цифрового й цифро-аналогового перетворення та обробки інформації.

Розроблено та запатентовано нові засоби автоматичної стабілізації натягу полотна паперу стрічкоживильного і стрічконамотувального пристроїв флексографічної друкарської машини та папір для виготовлення офортів.

Результати наукових досліджень реалізовано при розробці флексографічної друкарської машини ФП-700 на основі програмно-технічних засобів об'єктивного цифрового визначення та прогнозованої стабілізації технологічних параметрів з проблемною орієнтацією.

Розроблені програмні засоби прогнозованого цифрового визначення поздовжнього та поперечного суміщення фарб застосовано на флексографічній друкарській машині VT Flex 175/7 в технологічний процес ДП Тетра Пак Україна для забезпечення якості друкування пакувальної продукції.

Результати наукових досліджень застосовано для стабілізації натягу полотна паперу стрічкоживильного та стрічконамотувального пристроїв рулонної друкарської машин Солна ДВ «Преса України» та вузькорулонної ФДМ Скид ТОВ «Лейбл майстер» та при проектуванні вузькорулонних ФДМ у ТОВ «БУЛАТ», з використанням методу об'єктивної статистичної обробки результатів вимірювання.

Головні наукові та практичні здобутки спрямовані на створення та впровадження нових методів та програмно-технічних засобів систем об'єктивного цифрового визначення та стабілізації параметрів технологічних процесів рулонних друкарських машин для підвищення якості друкованої продукції для забезпечення потреб поліграфічних підприємств, про що свідчать акти впровадження ДВ «Преса України», ТОВ «БУЛАТ», ДП «Тетра Пак Україна», ВАТ «УкрНДІСВД» та ТОВ «Лейбл майстер», економічний ефект складає 505,1 тис. грн.

Основні результати досліджень використовуються в навчальному процесі для підготовки фахівців ВПІ НТУУ «КПІ» в лекційних, практичних та лабораторних курсах з дисциплін «Системне програмування та операційні системи», «Автоматизація поліграфічних процесів», «Проблемно-орієнтовані засоби управління», дипломному проектуванні освітньо-кваліфікаційних рівнів спеціаліста та магістра напрямку 0927 «Видавничо-поліграфічна справа».

Особистніі внесок здобувача. Наукові теоретичні та експериментальні результати, наведені в дисертації, належать особисто автору. В роботах, опублікованих у співавторстві, авторові дисертаційної роботи належать: постановка задач, обґрунтування наукових та технічних аспектів, формування алгоритму та розробка програмних засобів дослідження - [2,3,4,5,21,22,24]; розробка методів визначення друкарсько-технічних властивостей композиційного складу паперу - [18,19,23]; розробка методу статистичної оцінки відтворення штрихових кодів тамподруком, програмна реалізація методу-[32]; генерування ідей, безпосередня участь в постановці та принциповому вирішенні задач - [33,34,35]; постановка задач, дослідження і обгрунтування наукових, технологічних та технічних аспектів - [38,40,41].

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертації доповідались та обговорювалися на II Всесоюзной конференции «Измерение параметров формы и спектра радиотехнических сигналов» (1989) (м. Харьків), Всесоюзная конференция «Методы и микроэлектронные средства контроля РЭА цифровой обработки и преобразования сигналов» (1989) (м. Рига, Латвія), Всесоюзный научно-практический семинар «Информатика 90» (1991) (м. Мінськ, Білорусія), 4-ій міжнародній науково-технічній конференції «Друкотехн» (м. Львів, 2002), 1-ій міжнародній науково-технічній конференції «Технологія і техніка друкарства - друк 2004» (м. Київ, 2004), International Scientific Conference «UNITECH '05» (Bulgaria, C. Gabrovo, 2005), 1-ій міжнародній науково-технічній конференції «Виробництво гофрокартону та гофротари» (м. Київ, 2006), International Scientific Conference «UNITECH '07», «UNITECH '09» (Bulgaria, C. Gabrovo, 2007, 2009.

Публікації. Результати наукових досліджень дисертації опубліковано у 41 науковій праці: в одній монографії, 31 статті у фахових журналах (з них 20 без співавторів), 3 патентах України, 6 (з них 3 без співавторів) тезах доповідей у матеріалах міжнародних і державних науково-технічних конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку науково-технічних джерел та додатків. Обсяг рукопису 380 сторінок, у тому числі 95 рисунків, 12 таблиць, 21 додаток. Список науково-технічних джерел нараховує 228 найменувань.

Зміст роботи

рулонний друкарський суміщення фарба

У ВСТУПІ обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та завдання, наукова новизна отриманих результатів. Розглянуто практичне значення, реалізацію та впровадження результатів роботи. Наведено відомості про апробацію роботи.

У першому розділі - «СТАН, ПРОБЛЕМИ ТА ТЕНДЕНЦІЇ ПОБУДОВИ ЗАСОБІВ ЦИФРОВОГО ВИЗНАЧЕННЯ ТА СТАБІЛІЗАЦІЇ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ РУЛОННИХ ДРУКАРСЬКИХ МАШИН” - проаналізовано сучасний стан та світові тенденції побудови засобів визначення та стабілізації параметрів технологічних процесів рулонних друкарських машин, представлено функціональну схема автоматизації процесів проводки полотна паперу у багатосекційній рулонній друкарський машині. Розроблена структурна схема об'єктивного цифрового визначення та стабілізації параметрів технологічного процесу друку показує багатофакторність і складність задач, пов'язаних із процесом друку у рулонних друкарських машинах для забезпечення автоматизації регулювання технологічним процесом у реальному масштабі часу.

Аналіз друкарського процесу на основі узагальненої інформаційної моделі визначення та стабілізації технологічних параметрів рис.1 визначає, що одним з напрямів підвищення якості друкованої продукції у рулонних друкарських машинах є об'єктивне цифрове визначення й стабілізація технологічних параметрів з оптимізацією часу, необхідного для виявлення та усунення прогнозованих відхилень параметрів технологічних процесів.

Проектування та розробка підсистеми стабілізації рулонних друкарських машин базується на результатах інтегрованого дослідження інформаційної моделі процесу друку та математичних моделей компонентів рулонних друкарських машин та їх взаємодії: стрічкоживильний пристрій, стрічконамотувальний пристрій, бокове зміщення, суміщення фарб, аналізу власної регулюючої дії в процесі стабілізації.

Інформаційна модель процесу друку є чинником впливу на інші моделі і характеризується показником ефективності Kє, значення якого формується у вигляді границі мінімізації часу для прийняття рішення про стабілізацію параметрів та наближається до одиниці при відповідному ступені автоматизації процесів, і має вигляд:

, (1)

де Т, Vср - час та середня швидкість друку продукції на досліджуваному відрізку часу; Тi , Vi - час та швидкість друку на відрізку часу з відхиленням параметрів. Для підвищення показника ефективності необхідно зменшувати час Ti:

, (2)

де ti - час затримки сигналів в засобах обробки інформації про відхилення параметрів; tр- час на суб'єктивну оцінку про відхилення параметрів; tп - час затримки сигналів перехідних процесів у каналах регулювання та пристроях друкарських машин.

Рис. 1. Узагальнена інформаційна модель визначення та стабілізації технологічних параметрів у рулонних друкарських машинах

X_i- вихідні узагальнені параметри технологічних процесів ( для контролю, регулювання та оптимізації); G_i - сигнали керуючих програм, які призначені для зміни параметрів стану системи по заздалегідь заданому закону; F_i- параметри збурення, що створюються зовнішнім середовищем або взаємозалежними об'єктами; Y_i - регулюючі параметри, створені системами регулювання та призначені для стабілізації параметрів технологічних процесів; Z_i - оптимізуючи параметри, створені системами регулювання та призначені для досягнення оптимальних значень регулювальних параметрів; t_i - час, який характеризується структурою засобів вимірювання інформації і залежить від побудови засобів передачі, перетворення та обробки сигналів від датчиків інформації.

Теоретичні та технологічні аспекти аналізу інформаційної моделі процесу друку та її взаємозв'язок з моделями компонентів визначення та стабілізації параметрів показують, що оптимізація прогнозованого часу Тi про можливе відхилення технологічних параметрів процесу друку основаного на використанні швидкодіючих програмно-технічних засобів та має наступну залежність:

, (3)

де tс<< tр, tj < ti , tу< tп , а tс - час аналізу сигналу про прогнозоване відхилення технологічних параметрів процесу друку з використанням ЕОМ; tj - час передачі та обробки інформації на швидкодіючих програмно-технічних засобів; tу - час передачі сигналів регулювання на основі швидкодіючих програмно-технічних засобів.

У другому розділі - «МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ» - визначено, що застосування методів дослідження ґрунтуються на загальнонаукових принципах дослідження, які стосуються історичного і системного підходів та методів моделювання, що забезпечує аналіз та оцінювання попередніх теорій у контексті виникнення, становлення та прогнозування їх сучасної побудови на основі комплексного дослідження системи як єдиного цілого, з узгодженим функціонуванням усіх її елементів.

Розроблено концептуальний підхід до методики та методів дослідження закономірностей взаємодії процесів у стрічкопровідній системі та у секціях друку рулонних друкарських машин для створення систем об'єктивного цифрового визначення технологічних параметрів та математичного обґрунтування їх прогнозованої стабілізації. Побудовано загальну схему застосування методів дослідження та уніфікований алгоритм визначення напрямку цілеспрямованих досліджень згідно результатів оцінки експериментальних даних і визначення статистичних характеристик експериментальних даних та результатів оцінки значення динамічних параметрів.

Для дослідження параметрів технологічних процесів у рулонних друкарських машинах застосовано теорію вимірювань, теорію цифрової обробки імпульсних сигналів, фізичне та математичне моделювання, статистичні методи обробки результатів експерименту, критерії оцінки експериментальних даних, методи формальних граматик, методи інтерполяції функцій та математичної логіки.

Уперше результати цифрового моделювання перехідних характеристик суміщення фарб застосовано для дослідження аналітичної залежності, побудованої на основі електронних таблиць MS Excel, при автоматичному прогнозуванні контролю суміщення фарб з упередженням на секціях друку.

Проведено фізичне моделювання процесів суміщення фарб на основі лабораторного оптичного перетворювача інформації для формування однократного імпульсного сигналу, який моделює параметри поздовжнього та поперечного суміщення фарб часовими параметрами вим та імп, що забезпечувало обчислення параметрів суміщення фарб за розробленою методикою на основі машино-орієнтованих програмних засобів згідно функціональних залежностей:

_поз = (вим), поп= (імп). (4)

Здійснено експериментальні дослідження у виробничих умовах на рулонних флексографічних друкарських машинах ФП-700 та VT Flex 175/7 зі швидкістю руху полотна паперу 5 і 10 м/сек та діаметром формного циліндра 160 і 560 мм.

Моделювання умов натягу полотна паперу стрічкоживильного та стрічконамотувального пристроїв здійснювали на рулонній флексографічній друкарської машини на основі лабораторному пристрою визначення натягу («плаваючий» валик) за методикою вимірювання натягу по куту відхилення та на основі тензометричного пристрою визначення натягу Montal VO system 3000.

Теоретично обґрунтована, розроблена та практично реалізована методика оцінки експериментальних даних і визначення статистичних характеристик на основі гіпотези про розподілення статистичних параметрів вимірювання у відповідності з законом Гауса, згідно критерію ² і Шовене та на основі розробленої аналітичної залежності для об'єктивного обчислення значення ймовірності P= f().

В роботі досліджені принципи побудови засобів проблемно-орієнтованого опису процесів визначення та стабілізації технологічних параметрів, з використанням формальних граматик та методів їх інтерпретації.

Дослідження методів визначення та стабілізації множини технологічних параметрів послідовних та паралельних технологічних процесів у рулонних друкарських машинах здійснювалося з застосуванням засобів мультипрограмування технологічних процесів для виконання прикладних програм вимірювання, обробки та стабілізації на основі проблемної орієнтації їх побудови.

У третьому розділі - «ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ ЦИФРОВОГО ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ СТРІЧКОПРОВІДНИХ ПРИСТРОЇВ ТА НАПРЯМКУ ЇХ СТАБІЛІЗАЦІЇ» - здійснено теоретичний та експериментальний аналіз процесу визначення та стабілізації параметрів стрічкопровідних пристроїв (натяг полотна паперу стрічкоживильного і стрічкоприймального прострою та бокового зміщення задруковуваного полотна паперу) при стохастичності зміни технологічного середовища. Встановлено вплив різних факторів на процес прогнозованої стабілізації параметрів технологічних процесів стрічкопровідних пристроїв та визначено науково обґрунтовані напрямки їх автоматичної оптимізації у реальному масштабі часу на основі застосування швидкодіючих програмно-апаратних засобів дискретної передачі та обробки інформації. На основі аналізу принципів побудови процесів управління натягом полотна паперу, які найшли застосування у вітчизняних та зарубіжних рулонних друкарських машинах, запропоновано алгоритм та функціональна схема об'єктивного цифрового визначення та стабілізації натягом полотна паперу при розмотуванні та намотуванні рис.2, для якої характерною рисою є застосування аналого-цифрових перетворювачів (АЦП) для вимірювання натягу полотна

в=f(F_нн), =f(F_нр)

на основі кута відхилення пристрою натягу, цифро-аналогових перетворювачів (ЦАП) для керування процесом стабілізації

U_1,2 = f (К_рег1,2 ),

ЕОМ зі спеціальним програмним забезпеченням визначення натягу та для вибору напрямку стабілізації та безпосередньо засобів регулювання (частотного перетворювача, двигуна намотування

V_д=f(U₂)

та гальмівного пристрою

М_г= f (U₁ ).

Досліджено процес об'єктивного цифрового визначення натягу полотна паперу та з'ясовано функціональну залежність кута відхилення _виз (діапазоні від 0 до (в)) пристрою визначення натягу полотна (лінійний потенціометр ПТП21) від напруга U на вході АЦП та цифрового коду K_АЦП на виході АЦП:

U=f(R) R=f(_виз) K_АЦП = f (f (_виз)) (5)

_виз = К_АЦП* /2^NA , (6)

де К_АЦП - значення кута відхилення _виз у одиницях АЦП;

R - пропорційне значення кута відхилення _виз в омах;

NA - кількість двійкових розрядів АЦП.

Рис. 2.Функціональна схема об'єктивного цифрового визначення та стабілізації натягом полотна паперу

Проведено дослідження процесу стабілізації натягу полотна паперу та встановлена математична залежність визначення цифрового коду К_кер керування ЦАП для забезпечення об'єктивної стабілізації натягом стрічкоживильного або стрічконамотувального пристроїв:

, (7)

де ND - кількість двійкових розрядів ЦАП, , - максимальний кут відхилення пристрою визначення натягу, _виз, _виз - визначений кут відхилення пристрою визначення натягу стрічконамотувального та стрічкоживильного пристроїв.

В залежності від значення кута відхилення на ЦАП подається визначений код К_кер, згідно якого формується напруга регулювання гальмівного моменту швидкості обертів рулону розмотування або напруга регулювання двигуном намотки полотна за допомогою частотного перетворювача, що забезпечує зменшення або збільшення натягу. Точність вимірювання кута відхилення пристрою визначення натягу залежить від діапазону кута відхилення L (330⁰, 270⁰, 210⁰) лінійного потенціометру та від кількості двійкових розрядів NA АЦП, що визначає мінімальну ціну вимірювання кута відхилення KR.

Узагальнено результати дослідження залежностей мінімального значення вимірювання кута від кількості двійкових розрядів АЦП і діапазону кута відхилення та визначено математичне рівняння обчислення мінімального значення для прогнозованої точності вимірювання за заздалегідь визначеними технічними та економічними показниками:

. (8)

На основі математичних залежностей процесу регулювання натягом полотна паперу встановлено діапазони кута відхилення, які визначаються логікою стабілізації натягу для їх аналізу та оптимізації процесів автоматичного регулювання натягом полотна:

діапазон I - від 0 до 0,05 - регулювання потрібно, критичний діапазон;

діапазон II - від 0,05 до /2-0,01 - регулювання потрібно;

діапазон III - від /2-0,01 до /2+0,01 - регулювання не потрібно;

діапазон IV - від /2+0,01 до -0,05 - регулювання потрібно;

діапазон V - від -0,05до - регулювання потрібно, критичний діапазон, де /2- умовний нуль кута відхилення.

Здійснено комплексну оцінку достовірності результатів статистичного вимірювання, яка пов'язана з управлінням технологічним процесом у реальному масштабі часу та забезпечення необхідної точність регулювання натягом полотна, що відповідає вимогам якісного функціонування рулонної друкарської машини у цілому.

Доведено, що час н для статистичного визначення натягу полотна стрічкоживильного або стрічконамотувального пристрою у реальному масштабі часу не повинен перебільшувати обчисленого за даним виразом:

, (9)

де стс - загальний реальний масштаб часу і дорівнює:

,

який можливо приблизно оцінити - 50 мсек (швидкість Vпол-10м/сек, діаметр циліндру D- 160мм); N - кількість секцій друку у стрічкопровідній системі; Rн - кількість процесів регулювання натягу; kроз - коефіцієнт розподілення часу на визначення параметрів та їх регулювання (дорівнює 2). Встановлено, що час н визначається, як н ? 2,5 мсек (при N=4 і Rн=2).

Розроблено комплексний метод статистичної об'єктивної цифрової обробки результатів вимірювання статичних параметрів, для яких головним чинником їх достовірності є гіпотеза про нормальне розподілення статистичних характеристик та математичний аналіз для виявлення та корекції підозрюваних вимірів.

Узагальнено результати дослідження та експериментально перевірено розроблений комплексний метод об'єктивного виявлення і корегування випадкових відхилень результатів статистичного вимірювання параметрів на основі гіпотези про розподілення статистичних характеристик у відповідності з законом Гауса та згідно критерію ² та Шовене. Доведена важливість застосування розробленої аналітичної залежності об'єктивного обчислення значення ймовірності відносно стандартного відхилення P= f() на основі побудованого полінома 5-го ступеня для визначення та корекції підозрюваних результатів вимірювання:

P = -0,468⁵ +4,8374⁴ -14,529³-3,557²+81,915-0,1228. (10)

Розроблено і експериментально випробувано, згідно визначених функцій і концепцій побудови програмно-апаратних засобів систем стабілізації натягу полотна паперу, алгоритмічне та проблемно-орієнтоване програмне забезпечення визначення та стабілізації процесів стрічкоживильного, стрічконамотувального пристрою та бокового зміщення задруковуваного полотна паперу.

У четвертому розділі - «МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ ОБ'ЄКТИВНОГО ЦИФРОВОГО ВИЗНАЧЕННЯ ТА СТАБІЛІЗАЦІЯ ПАРАМЕТРІВ СУМІЩЕННЯ ФАРБ» - наведено результати аналізу процесів моделювання суміщення фарб, на основі яких визначено напрямки побудови програмно-технічних засобів об'єктивного цифрового визначення та стабілізації параметрів суміщення фарб (поздовжнього - _поз та поперечного - _поп). Проведено аналіз відомих принципів визначення параметрів суміщення фарб та визначено наукові та практичні аспекти моделювання параметрів суміщення фарб з використанням часових характеристик імпульсних сигналів та розроблено новий науково обґрунтований інтегрований метод цифрового визначення параметрів поздовжнього та поперечного суміщення фарб. Математично обґрунтовано та побудовано аналітичні залежності для визначення прогнозованого регулювання суміщення фарб, що забезпечує мінімізацію часу процесу стабілізації, та визначено вплив регулюючої дії на наступні секції друку і її компенсацію у процесі стабілізації.

Аналіз процесів моделювання суміщення фарб виконується на основі структурної схеми моделі зміщення фарб для багатофарбової рулонної друкарської машини, яка показує залежність деформації стрічки на довільній ділянці від деформації прикладеної до першої ділянки та залежність зміщення фарб на даній секції відносно попередньої фарби при наявності видовження стрічки на першій ділянці.

Процес стабілізації суміщення фарб може виконуватися з урахуванням регулюючої дії за допомогою переміщення регістрового валика або зміною фази формного циліндра, а аналіз можливо виконувати відносно першої секції друку або попередньої, що визначає різні підходи для розробки методів об'єктивного визначення та стабілізації суміщення фарб.

Згідно структурної схеми моделі зміщення фарб при регулюючій дії, створеної за допомогою переміщення регістрового валика, визначені перехідні характеристики зміщення фарб відповідно попередньої секції друку при поодинокому переміщенні регістрового валика на першій секції друку, які показують, що зміщення фарби на другій секції друку змінюється за експонентою до величини власної регулюючої дії, а зміщення фарб на наступних секціях друку є не значним і поступово затухає, що не потребує його стабілізації. Перехідні характеристики зміщення фарб відповідно першої секції друку при одиничному переміщенні регістрового валика на першій секції друку показують, що зміщення фарби на другій секції друку змінюється за експонентою до величини власної регулюючої дії, а остаточне зміщення фарб на наступних секціях друку проявляється з певною затримкою та наближається до величини власної регулюючої дії. Тому на наступних секціях друку треба виконувати стабілізацію.

Перехідні характеристики зміщення фарб відповідно попередньої секції друку при зміні фази формного циліндра на першій секції друку показують, що зміщення фарби на другій секції друку аналогічно переміщенню регістрового валика, а зміщення фарб на третій секції друку має усталене від'ємне значення і тому треба виконувати стабілізацію зміщення фарб. На наступних секціях друку зміщення фарб є незначним і поступово затухає. Перехідні характеристики зміщення фарб відповідно першої секції друку при зміні фази формного циліндра на першій секції друку показують, що зміщення фарби на другій секції друку змінюється за експонентою до величини власної регулюючої дії, а зміщення фарб на наступних секціях друку є не значним і поступово затухає та не потребує стабілізації.

На основі процесів моделювання згідно схем аналізу зміщення фарб та його регулювання встановлено основні динамічні властивості процесу суміщення фарб та напрямок побудови засобів цифрового визначення та стабілізації параметрів суміщення фарб на наступних секціях друку, який базується на зміні фази формного циліндра та контролі відповідно першої секції друку, яка є синхронізатором усього процесу друку.

Уперше розроблено, теоретично обґрунтовано і практично реалізовано засоби дискретного об'єктивного визначення суміщення фарб, які будуються на основі обробки параметрів імпульсних сигналів при зміні освітлення технологічних міток у вигляді прямокутного трикутника рис.3, що забезпечується перетворенням інформації з оптичного датчика та її цифрової обробки на основі спеціальних програмних засобів. Встановлено, що об'єктивне цифрове визначення поздовжнього та поперечного суміщення фарб характеризують наступні функцій:

вимірювання часових характеристик імпульсного сигналу вим та імп рис.3, які є функціональною залежністю від параметрів поздовжнього та поперечного суміщення фарб;

обробка часових характеристик вим та імп для визначення значення поздовжнього та поперечного параметрів суміщення фарб у реальному масштабі часу;

аналіз параметрів поздовжнього та поперечного суміщення фарб для стабілізації та підтримки якості друку.

На підставі визначених функцій і концепції побудови розроблена структурна схема дискретної системи об'єктивного визначення поздовжнього та поперечного суміщення фарб рис.4.

Визначено, що система складається з АЦП для перетворення імпульсних сигналів у цифровий код, що є передумовою для визначення значення поздовжнього та поперечного суміщення фарб, ЕОМ зі спеціальним програмним забезпеченням для вимірювання, обробки і аналізу та ЦАП, який виконує функції встановлення стабілізованої опорної напруги для оптичного перетворювача та схеми видачі синхроімпульсів від імпульсного датчика.



Рис.3. Лінійна та часова діаграма для обчислення поздовжнього та поперечного суміщення фарб

Обґрунтовано оптимальну частоту перетворювання fАЦП при відповідній кількості вимірів kвим для відтворення відповідної точності значення поздовжнього та поперечного суміщення фарб:

,

де V_пол - швидкість руху полотна паперу, а l _міт - ширина мітки.

Розроблено і експериментально випробувано алгоритм обробки часових характеристик імпульсних сигналів _вим та _імп рис.5 на основі статистичного метода визначення амплітуди А_імп імпульсного сигналу на основі різниці максимальних значень зрізаного розподілення P_T і P_B: А_імп = ¦P_T - P_B¦.

На підставі визначеної амплітуди А_імп обчислюються реальні моменти часу для фронту t_фр0,5А та для зрізу t_зр0,5А на рівні 0,5А_імп по спеціальній програмі обробки параметрів імпульсних сигналів, представлених цифровим масивом амплітуд А_АЦП :

Рис.4. Структурна схема дискретної системи об'єктивного визначення поздовжнього та поперечного суміщення фарб

_вим = (t_фр0,5А - t_поч) ?t _імп = (t_зр0,5А- t_фр0,5А) ?t, де (11)

?t - шаг квантування імпульсного сигналу, _поч - момент часу для початку АЦП.

Визначено, що перехід від параметрів моделі до лінійних значень поздовжнього _поз та поперечного _поп суміщення фарб виконується на основі часових характеристик за наступними функціональними залежностями: _поз = (_вим) _поп= (_імп) .

Рис.5. Блок-схема алгоритму цифрового визначення часових характеристик імпульсних сигналів _вим та _імп

Для аналізу поперечного суміщення фарб застосовується час _міт , котрий дорівнює часу освітлення оптичним датчиком відносно середньої лінії мітки:

. (12)

Якщо допуск неузгодженості поперечного суміщення фарб має значення 0,01мм, то час витрачений на проходження цього шляху дорівнює:

. (13)

Встановлено, що контроль точності стабілізації поперечного суміщення фарб _поп виконується за наступними виразами:

якщо _міт - _імп > _0,01мм , то зміщено вліво,

якщо _імп - _міт > _0,01мм , то зміщено вправо.

Для аналізу поздовжнього суміщення фарб _поз використовується час _вим , котрий дорівнює часу від t_поч до моменту t_фр0,5А при реальному виміру та безпосередньо момент часу t_фр.ід., який дорівнює значенню часу на рівні на рівні 0,5А у ідеальному випадку поздовжнього суміщення фарб.

Визначено, що поздовжнє суміщення фарб відповідає заданій точності, якщо

¦ t_фр.ід. - _вим¦? _0,01мм.

Ідеальний час t_фр.ід. дорівнює різниці періоду Т повторення імпульсних сигналів, який залежить від діаметра формного циліндра d і швидкості руху полотна паперу V_пол та часу _міт на освітлення ідеальної середньої лінії мітки оптичним датчиком і обчислюється за наступною залежністю:

. (14)

Діапазон зміни поперечного суміщення фарб, що задовольняє вимогам якісного друку, визначається по реальному діапазону зміни довжини середньої лінії:

або , де (15)

k₁ і k₂ катети прямокутного трикутника мітки, або у часовому діапазоні згідно характеристики друкарської машини V_пол та тривалість імпульсного сигналу _імп:

. (16)

Досліджено процеси стабілізації поперечного суміщення фарб та визначено, що при зменшенні _поп потрібно виконувати переміщення формного циліндра управо, а при збільшенні _поп - переміщення уліво. Обробка результатів у лінійних параметрах для регулювання поперечного суміщення фарб має наступний вигляд: якщо

, (17)

то необхідно виконувати регулювання управо на величину:

, (18)

якщо

, (19)

то виконується регулювання уліво на величину:

. (20)

Згідно аналізу доведено та визначено, що система визначення та стабілізації дозволяє виконувати контроль поперечного суміщення фарб без його регулювання тільки у діапазоні, який дорівнює половині допуску неузгодженості, тобто 0,005 мм, а якщо за певних умов поперечне суміщення фарб вийде за цей діапазон, то система визначення та стабілізації забезпечує його повернення у діапазон контролю на величину яка удвічі перевищує вихід за межи допуску неузгодженості.

Обґрунтовано, що для забезпечення точності визначення параметрів імпульсного сигналу датчик синхросигналу повинен видавати сигнали на час _поч=100ч120мксек раніше відносно початку друку, що визначається кутом ц встановлення елементів датчика на першому формному циліндрі:

, (21)

де d - діаметр формного циліндра.

Визначено, що стабілізація поздовжнього суміщення фарб відповідає концепції, що при зменшенні _поз потрібно повернути формний циліндр по ходу руху полотна, а при збільшенні _поз - повернути проти руху полотна. Аналіз результатів лінійних параметрах для регулювання поздовжнього суміщення фарб має наступний вигляд:

якщо

_поз -_позi < - 0,005,

то треба виконати поворот формного циліндра по ходу руху полотна на кут, який дорівнює:

, (22)

якщо

_поз -_позі > 0,005,

то треба виконати поворот формного циліндра проти руху полотна на кут, який дорівнює:

. (23)

Тобто система дозволяє підтримувати поздовжнє суміщення фарб у діапазоні 0,005 мм без стабілізації, а якщо воно виходить за межі діапазону, то система виконує стабілізацію, повертаючи суміщення фарб у зазначений діапазон на величину яка удвічі перевищує вихід за межи діапазону.

Уперше теоретично обґрунтовано, розроблено і практично реалізовано засоби оптимізації процесів автоматичної стабілізації поздовжнього суміщення фарб по кожної секції друку, які будуються на основі аналізу математичних моделей суміщення фарб та використанні багатоканальних апаратних засобів перетворення інформації і об'єктивних методів її цифрової обробки.

За результатами цифрового моделювання по максимумах перехідних характеристик ( 0,36: 0,55: 0,65: 0,80 ) для 4-х секцій друку на основі екстраполяції вперед встановлено аналітичний вираз прогнозованого максимального відхилення суміщення фарб до 8-ої секції друку, який найбільше відповідає критерію достовірності:

X= 0,3037LN(N)+0,3487, (24)

де X- максимальне значення перехідної характеристики, N- номер секцій друку.

Визначена аналітична залежність застосовується для автоматичної обробки та контролю суміщення фарб з упередженням по секціях друку.

Вимірювання суміщення фарб починаються на 2-й секції друку X21вим, що є основою для контролю: , де D - визначений діапазон контролю суміщення фарб, X21вим - реальне значення суміщення фарб на 2-й секції друку.

Обчислення прогнозованих максимальних відхилень суміщення фарб на наступних секціях друку для їх аналізу та визначення необхідної функції стабілізації:

;

;(25)

де ?31, ?41, ?N1 - прогнозовані максимальні відхилення суміщення фарб по реальному значенню 2-ої секції відповідно на 3 -, 4 -, …., N - й секції друку; X21 - максимальне значення перехідної характеристики для 2-ї секції друку.