Применение метода свободных колебаний для определения внутренних дефектов в клееной фанере

Фанерное производство представляет собой сложную технологическую систему. В условиях рыночной экономики возросло значение рациональной организации производства фанеры, его координации и контроля. Увеличились объемы необходимой для управления информации, повысились требования к ее оперативности и точности. Возросли объемы и скорости производственных процессов.

Технологические процессы производства фанеры на современном этапе требуют значительных трудовых и материальных затрат, поэтому для эффективного управления фанерным предприятием необходимо точное знание законов техники и экономики, использование современных методов управления, основанных на оптимизации процессов с применением средств вычислительной техники.

Эффективность управления достигается, главным образом, за счет поиска оптимальных условий протекания технологического процесса на основе оперативной обработки поступающей информации о его состоянии, а также оптимальной стратегии управления процессом в реальном масштабе времени. Реализация этого направления осуществляется путем использования технологических методов контроля, оснащения технологического процесса современным точным и высокопроизводительным производственным и контрольным оборудованием, создания широкой номенклатуры средств автоматизации обработки информации.

Контроль является одним из важнейших элементов управления. В производстве применяется технический контроль. В его функции входит проверка соответствия технических параметров объекта контроля предписанным значениям. Основной задачей производственного контроля является активное воздействие на производственный процесс во избежание потерь из-за брака и низкого качества продукции. Организация производственного контроля основана на строгом соблюдении требований нормативно-технической документации и независимых органов контроля от исполнителей технических операций. Операции технического контроля являются частью производственного процесса, обеспечивающей нормальный процесс технологических операций.

В системе контроля качества продукции различают: Входной контроль сырья и материалов. Входной контроль древесного сырья заключается в визуальнои оценке соответствия качества фанерных кряжей сортам, заявленным поставщиком. Контроль качества поступающих смол выполняется по показателям, регламентируемым соответствующими стандартами или техническими условиями.

Текущий (технологический) контроль параметров технологического процесса проводится на рабочих местах самими рабочими или с участием отдела технического контроля. Все большее применение находит постоянный автоматический контроль важнейших технологических параметров с сигнализацией об отклонениях от нормы.

Выходной контроль качества готовой продукции касается проверки соответствия фактических показателей продукции нормативным, регламентируемым в соответствующем ГОСТе или технических условиях.

С точки зрения управления процесс производства фанеры р. характеризуется многопереходностью, значительным числом переменных, влияющих на его качественное протекание, неконтролируемыми возмущениями, случайно изменяющимися характеристиками технологического процесса и недостаточной изученностью связей между входными и выходными величинами, т. е. отсутствием достаточно полного математического описания самого процесса производства фанеры [95].

При производстве фанеры возможно появление в ней внутренних дефектов (пузырей и вздутий), наличие которых в готовой продукции является недопустимым. Причины образования внутренних дефектов обусловлены, в основном, нарушениями технологического процесса производства фанеры и нестабильностью качества исходного сырья. Эти внутренние дефекты обычно обнаруживаются только при разрезании на куски или во время дальнейшей обработки потребителями, а это приводит к возвратам продукции или рекламациям по качеству.

На отечественных предприятиях, на фоне применения современных средств автоматизации на большинстве участков производства фанеры, контроль качества готовой продукции осуществляется вручную на заключительной стадии производства. Ручной метод выявления внутренних дефектов заключается в простукивании листов и определении наличия брака «на слух». Такой метод достаточно эффективен, но имеет ряд принципиальных недостатков, а именно: он не позволяет локализовать вид и размер дефектаоценка качества фанеры субъективна, зависит от квалификации работникаработа контролера физически тяжелая и монотонная. Поэтому возникла необходимость в создании оборудования неразрушающего контроля для определения расслоившихся областей на ранних стадиях производства, которое обеспечивало бы оператора данными о тенденции изменений, позволяя, таким образом, значительно снизить брак, своевременно изменяя режимы технологического процесса.

Наиболее распространенным методом автоматизированного неразрушающего контроля материалов и изделий является ультразвуковой. Исследования неразрушающих ультразвуковых методов контроля и оценки качества древесины отражены в работах В. Д. Никишова, И. А. Голубова, Н. А. Гончарова, Е. К. Ашкенази и др. Этот метод успешно используется для контроля фанеры на зарубежных предприятиях и ряде отечественных. Метод достаточно точен, технологичен, позволяет автоматизировать процесс определения внутренних дефектов фанеры. Результаты измерений можно использовать как для селективной сортировки фанеры, так и для автоматизированной корректировки технологических процессов изготовления фанеры. Однако ультразвуковой метод также имеет существенные недостатки, а именно: для контроля данным методом требуются достаточно стабильные внешние условия (температура, качество поверхности фанеры, отсутствие конвекционных воздушных потоков и т. д.), что усложняет конструкцию измерительной установкиреализация метода сравнительно дорога.

Складирование фанерного сырья.

ГидротерРазделка.

—————— 1Итнерн" ъырья мическая танерного обработка сырья Окорка.

Рубка- «Сборка, а сортировка — ишш пакетов укладка шпона шпоне и подача фанерных.

Подпрес-совка. пакетов.

IкаСишт Г Сортировка.

Сортировка] шпона.

Облагораживание шпона.

Сушка шпана ¦—Xчуракоо к лущильным станкам.

Лущение.

Рубкаукладка шпона.

Дефектоскопия фанеры МСК.

Склеивание фанеры. Обрезка Шлифование Упаковка ЧФанеры фанеры' фанеры X—' ~.

Склад.

Ручная сортировка фанеры.

Рис. 1. Технологическая схема производства фанеры. Место контроля фанеры при использовании метода свободных колебаний (МСК).

В связи с этим была поставлена задача: проведя предварительный анализ существующих методов неразрушающего контроля, создать систему автоматизированной сортировки фанеры по наличию внутренних дефектов, исключающую указанные выше недостатки. За основу взят метод свободных колебаний, теоретические и экспериментальные основы которого изложены в работах Полищука А. Н., Пижурина A.A. и других в области деревообработки, Б. А. Глаговского, И. Б. Московенко и других применительно к изделиям машиностроительной промышленности. Метод свободных колебаний технически достаточно просто реализуется, система может быть более мобильной, что делает возможным ее установку и после заключительного этапа производства, и непосредственно после прессования (рис.1). В последнем случае брак определяется на ранней стадии производства, что позволит исключить дефектные листы из дальнейшей обработки и получить, таким образом, дополнительный экономический эффект.

Данная диссертационная работа посвящена созданию автоматизированной системы для определения внутренних дефектов фанеры.

Цель работы: Цель диссертационной работы заключается в теоретическом и экспериментальном исследовании определения внутренних дефектов фанеры методом свободных колебаний и практическая реализация этого метода для дефектоскопии фанеры в процессе ее производства.

Направление исследований. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:

1. Анализ технологического процесса производства фанеры, факторов, влияющих на ее качество, и определение рационального местоположения установки неразрушающего контроля фанеры в технологической цепочке.

2. Выявление рационального метода неразрушающего контроля фанеры.

3. Проведение исследований свойств фанеры с точки зрения информативности о наличии в ней внутренних дефектов и выбор критерия для их определения.

4. Разработка структуры установки для нахождения внутренних дефектов фанеры в процессе производства.

Методы исследований. В основе исследований использован системный подход и методы статистического анализа, теория колебаний, теория управления, методы технологических измерений, технология ** обработки информации с применением метода искусственного интеллекта.

Достоверность результатов диссертационной работы. Достоверность научных положений, содержащихся в работе, подтверждена экспериментальными исследованиями и опытно-промышленными испытаниями.

Научную новизну работы составляет:

1. Выявленное влияние внутренних дефектов фанеры на параметры ее свободных колебаний и предложенный на этой основе технологический метод неразрушающего контроля.

2. Предложенный критерий для определения внутренних дефектов фанеры, основанный на трехпараметровой обработке сигнала (по изменению амплитуды, частоты и декременту затухания), что значительно повышает чувствительность к дефекту.

3. Методика обработки результатов измерения, базирующаяся на основе настраиваемой на различные виды фанеры искусственной нейронной сети.

4. Разработанная структура установки для дефектоскопии фанеры в процессе производства. ч.

На защиту выносятся:

1. Результаты теоретических исследований параметров свободных колебаний и их связь с внутренними дефектами фанеры.

2. Результаты анализа экспериментальных исследований и полученный критерий для определения наличия в фанере внутренних дефектов.

3. Применение искусственной нейронной сети для идентификации свойств фанеры.

4. Структура установки для нахождения внутренних дефектов фанеры в процессе производства, защищенная полезной моделью. Практическая ценность работы. Практическая ценность научной работы заключается в применении разработанной технологии, позволяющей повысить точность сортировки фанеры по наличию внутренних дефектов, автоматизировать этот процесс в процессе производства, осуществлять контроль на ранних стадиях, что позволит исключить дефектные листы из дальнейшей обработки, уменьшить число контролеров и дает возможность оперативного влияния на ход технологического процесса для снижения количества бракованной продукции.

Реализация результатов работы. Основные научные и практические результаты работы реализованы в виде опытной установки для дефектоскопии фанеры, прошедшей производственные испытания на фанерных комбинатах ОАО «Фанплит» г. Костромы и ОАО «Фанком» г. Мантурово.

Апробация работы. Материалы по теме диссертационной работы докладывались на:

• Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы лесного комплекса России в переходный период развития экономики» (Вологда, 2002);

• Международной научно-технической Интернет-конференции «Лесной комплекс: состояние и перспективы развития» (Брянск, 2003);

• Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы лесного комплекса России в переходный период развития экономики» (Вологда, 2003);

• Расширенном заседании кафедры автоматики и микропроцессорной техники КГТУ (Кострома, 2003);

• Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов МГУЛ по итогам научно-исследовательских работ за 2003 год (Москва, 2004);

• Расширенном заседании кафедры механической технологии древесины КГТУ (Кострома 2004);

• XVII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Кострома, 2004).

Публикации. Основные результаты исследований, выполненных в рамках настоящей диссертационной работы, опубликованы в девяти статьях во всероссийских научных журналах и сборниках научных трудов, а также отражены в зарегистрированном отчете о НИР и патенте на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 108 наименований и приложений. Основное содержание изложено на 131 странице «включая 59 рисунков и 15 таблиц.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

Основным результатом диссертационной работы является разработка автоматизированной установки для дефектоскопии фанеры в процессе производства.

Результаты диссертационной работы сводятся к следующему: на.

1. Проведен анализ факторов, влияющих качество клееной фанеры.

2. Определено рациональное местоположение установки для нахождения внутренних дефектов фанеры в технологической цепочке ее производства (после прессования).

3. На основе анализа существующих методов неразрушающего контроля выбран наиболее рациональный по простоте и экономичности метод неразрушающего контроля — метод свободных колебаний.

4. Проведены теоретические исследования параметров свободных колебаний фанеры и их связь с внутренними дефектами.

5. Исследованы возможности применения в качестве приемников свободных колебаний микрофона и пьезодатчика. Наиболее эффективным является пьезодатчик.

6. На основании проведенных исследований фанеры выбран комплексный критерий для оценки наличия в ней внутренних дефектов. Предложена трехпараметровая обработка сигнала, что значительно повышает точность контроля.

7. Разработано программное обеспечение в среде Borland Delphi для управления процессом измерения и для подготовки полученной информации к обработке искусственной нейронной сетью.

8. Разработана структура автоматизированной установки для нахождения внутренних дефектов фанеры с применением системы искусственного интеллекта — искусственной нейронной сети, настраиваемой на фанеру различного вида.

9. Проведенные опытно-промышленные испытания автоматизированной установки для дефектоскопии фанеры показали, что предложенный метод имеет достаточную точность для выполнения поставленных задач.

В ходе диссертационной работы разработаны модели, методы и программное обеспечение, позволяющие автоматизировать процесс нахождения внутренних дефектов фанеры, т. е. цель диссертационной работы достигнута.