Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние проблемы проектирования и измерения качества продуктов хлопкопрядильного производства 10
1.1 Выявление существующих подходов в проектировании качества продуктов прядильного производства 10
1.2 Анализ методов определения результативности процессов прядильного производства 16
1.3 Определение возможностей использования информационных технологий для измерения показателей свойств различных текстильных материалов 25
1.4 Постановка задач исследований 29
1.5 Характеристика объектов исследования 31
1.6 Выбор методов и средств решения научных проблем 32
2 Формирование методологии проектирования качества продуктов хлопкопрядильного производства 33
2.1 Определение общей схемы проектирования качества продуктов прядильного производства 33
2.2 Обоснование стратегии нахождения показателей результативности этапов прядильного производства 37
2.3 Формирование общего алгоритма проектирования качества продуктов прядильного производства 39
2.4 Выявление новых научных результатов по главе 40
3 Компьютерное проектирование качества продуктов хлопкопрядильного производства 42
3.1 Проектирование сортировки хлопковых волокон заданного уровня качества и экономичности 42
3.2 Проектирование смеси хлопковых и химических волокон с использованием компьютерных технологий 56
3.3 Проектирование качества технологической смеси волокон 61
3.4 Установление качества ленты с чесальных машин 64
3.5 Проектирование качества ленты с ленточных машин 67
3.6 Проектирование качества пряжи пневмомеханического способа прядения 70
3.7 Выявление новых научных результатов по главе 74
4 Компьютерное измерение единичных показателей качества продуктов хлопкопрядильного производства , 75
4.1 Выявление общего подхода по разработке компьютерных методов измерения показателей качества продуктов прядильного производства 75
4.2 Формирование алгоритма компьютерного измерения показателей протяженности (длины) хлопковых волокон 76
4.3 Разработка компьютерной программы распознавания сорных примесей и определения показателей засоренности хлопковых волокон 88
4.4 Формирование метода компьютерного измерения показателей засоренности кардного прочеса 95
4.5 Создание алгоритма компьютерного измерения показателей равномерности смешивания волокон в технологической смеси 99
4.6 Определение затрат на техническое внедрение методов компьютерного измерения показателей качества продуктов прядильного производства 103
4.7 Выявление новых научных результатов по главе 106
Заключение 108
Список использованной литературы 110
- Анализ методов определения результативности процессов прядильного производства
- Обоснование стратегии нахождения показателей результативности этапов прядильного производства
- Проектирование смеси хлопковых и химических волокон с использованием компьютерных технологий
- Формирование алгоритма компьютерного измерения показателей протяженности (длины) хлопковых волокон
Введение к работе
Проблема повышения конкурентоспособности (качества и экономичности) вырабатываемой продукции, товаров и предоставляемых услуг в настоящее время особенно актуальна для предприятий и организаций Российской Федерации, которые продолжают интенсивно осваивать рыночные взаимоотношения. Качество продукции существенно зависит от используемого сырья, применяемых технологий, квалификации обслуживающего персонала и современной системы управления производством. Последняя составляющая в рамках системы менеджмента качества предприятия связана с процессами проектирования продукции в соответствии с конкретными запросами потребителей и проведением оперативного контроля параметров продукции на всех этапах ее производства.
Таким образом, решение научных проблем развития и совершенствования методов проектирования и оценивания качества текстильной продукции является актуальной задачей.
Целью диссертационного исследования является повышение конкурентоспособности продуктов прядильного производства путем разработки методов компьютерного проектирования и измерения их качества. Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:
формирование общей стратегии проектирования качества продуктов прядильного производства;
разработка методов определения результативности процессов прядильного производства с целью получения полной информации о состоянии технологического оборудования;
создание компьютерной программы по проектированию качества продуктов прядильного производства, а именно, смеси (сортировки) волокон, технологической смеси волокон, ленты с чесальной и ленточных машин, пряжи;
формирование алгоритма метода компьютерного измерения показателей протяженности (длины) хлопковых волокон;
разработка компьютерной программы распознавания сорных примесей и определения показателей засоренности хлопковых волокон;
создание метода компьютерного измерения показателей равномерности смешивания волокон в технологической смеси;
разработка метода компьютерного измерения показателей засоренности кардного прочеса.
Методы исследования. При выполнении работы применялись теоретические и экспериментальные методы исследования. В теоретических исследованиях использованы методы дифференциального исчисления, аналитической геометрии, численные методы прикладной математики, методы квалиметрии и математической статистики. Экспериментальные исследования проводились с использованием стандартизированных, нестандартизированных (разработанных сторонними исследователями) и собственных оригинальных методов. Полученные первичные данные подвергались обработке на ЭВМ как стандартными пакетами прикладных программ, так и оригинальными программными продуктами.
Научная новизна. В диссертационной работе впервые получены следующие научные результаты:
предложена новая схема проектирования качества продуктов прядильного производства, основанная на последовательном подходе и объединяющая понятия «качество продукта» и «результативность этапа производства»;
определена значимость этапов прядильного производства при выработке смешанной пряжи пневмомеханического способа прядения (ПМСП);
разработана методология определения результативности этапов прядильного производства с применением метода комплексных оценок;
сформирован алгоритм проектирования сортировок и смесей волокон заданного уровня качества и экономичности, и создана реализующая его компьютерная программа;
предложены и реализованы способы компьютерного измерения показателей протяженности хлопковых волокон, засоренпости и равномерности смешивания волокнистых продуктов, основанные на анализе их изображений, полученных путем оптического сканирования.
Практическая значимость работы состоит в создании методик компьютерного проектирования сортировок хлопковых волокон и смесей хлопковых и химических волокон заданного уровня конкурентоспособности, в разработке рекомендаций по определению показателей результативности основных этапов прядильного производства, в разработке новых методов измерения показателей протяженности хлопковых волокон, засоренности волокнистых продуктов, равномерности смешивания компонентов в продукте разрыхлительно-трепального агрегата, в создании пакета программ для ЭВМ, реализующих предложенные алгоритмы определения показателей качества соответствующих волокнистых продуктов.
Результаты работы могут быть использованы в лабораториях по проектированию текстильных изделий, в службах технического контроля качества продукции текстильных предприятий, а также в учебном процессе для студентов текстильных специальностей в технических вузах.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы доложены и получили положительную оценку: на межвузовских научно-технических конференциях аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск-2002...2005), ИГТА, Иваново, 2002...2005 гг.; на международных научно-технических конференциях «Современные наукоемкое технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс-2004, 2005), ИГТА, Иваново, 2004, 2005 гг.; на международной практической конференции «Актуальные проблемы создания и использования материалов и оценки их качества» (Материаловедение-2002), МГУСервиса, Москва, 2002; на межрегиональной научно-практической конференции «Региональные производители: их место на современном рынке товаров и услуг», КГТЭИ, Красноярск, 2003; на Всероссийском конгрессе по торговле и общественному питанию «Технологические и экономические аспекты обеспечения качества продукции и услуг в торговле и общественном питании», Кемерово, 2003; на седьмой Всероссийской научно-технической конференции «Проектирование, контроль и управление качеством продукции и образовательных услуг», ТГУ, Тольятти, 2004; на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях» (Лен-2004), КГТУ, Кострома,
5 2004; на выставке научных достижений Ивановской области «Ивановский инновационный салон «Инновации-2004», Иваново, 2004.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 25 печатных работ. Из них пять статей в журнале «Известия вузов. Технологич текстильной промышленности», одна статья в журнале «Текстильная промышленность», одна статья в журнале «Вестник ИГТА», восемь статей в сборниках материалов конференций различного уровня, две статьи в каталоге выставки, один патент на изобретение, одно свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ, остальные - тезисы конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, четырех приложений. Работа выполнена на 155 страницах машинописного текста, содержит 26 рисунков, 27 таблиц, список использованных источников из 109 наименований и четыре приложения.
Анализ методов определения результативности процессов прядильного производства
Термин «результативность» определен в [3], как степень реализации запланированной деятельности и достижения запланированных результатов, но конкретная методика определения результативности не описана. Кроме того, все отечественные наработки в этой области относятся к предприятиям автомобильной промышленности [4], как наиболее развитым в плане разработки систем менеджмента качества.
Предлагаемая методика определения результативности процессов прядильного производства будет описана далее (см. гл. 2 и гл. 3), но не вызывает сомнения тот факт, что для определения показателей результативности процессов прядильного производства необходимы методы измерения показателей свойств волокнистых продуктов, обладающие высокой точностью, оперативностью и приемлемой для предприятий стоимостью.
Самыми первыми в цепочке технологических процессов прядильного производства являются очистка волокнистой массы от пороков и сорных примесей и смешивание компонентов смеси (сортировки). Также необходимо учитывать и негативные процессы, а именно, укорочение волокон в процессе обработки. Соответственно количественными характеристиками названных процессов являются показатели протяженности волокон, засоренности волокнистой массы и равномерности смешивания компонентов смеси (сортировки). Нами проведен анализ методов измерения перечисленных показателей, и его результаты представлены соответственно в табл. 1.3..Л.5. Таким образом, анализ методов измерения показателей протяженности (длины) хлопковых волокон позволяет сделать следующие выводы: - стандартизированные за рубежом и в РФ методы существенно отличаются своими принципами и номенклатурой определяемых показателей; - отечественные стандартизированные методы не развиваются в течение очень продолжительного времени, и значительно уступают по оперативности измерительным системам HVI; существенный износ парка измерительного оборудования испытательных лабораторий РФ приводит к снижению точности получаемых результатов. Таким образом, анализ методов измерения показателей засоренности хлопковых волокон и волокнистых продуктов позволяет сделать такие же выводы, что и при анализе методов измерения показателей протяженности (длины) хлопковых волокон. Следует отметить, что в табл. 1.4 не включены методы определения показателей засоренности пряжи, т.к. данные методы достаточно хорошо развиты и в России, и за рубежом, при этом они основаны на сходных принципах, а именно, применяются электроемкостные датчики.
Таким образом, анализ методов измерения показателей равномерности смешивания компонентов смеси (сортировки) волокон в прядильном производ стве показывает непригодность существующих методов для оперативного измерения свойств продуктов прядильного производства из-за трудоемкости и длительности процесса измерения. Особенно отметим наличие только одного разработанного метода определения показателей равномерности смешивания компонентов в холсте (настиле). Следовательно, исследования в этой области следует продолжить в направлении повышения оперативности методов измерения показателей равномерности смешивания.
В итоге, анализ методов, приведенных в табл. 1.3 ... 1.5, позволяет сделать вывод о том, что дальнейшее развитие данной проблематики необходимо проводить в направлении сближения методов измерения, применяемых в РФ и за рубежом (в части, касающейся методов измерения показателей свойств волокон), а также повышения оперативности и точности методов измерения, применяемых при оценке свойств полуфабрикатов прядильного производства. При этом действенное решение выявленных проблем возможно при использовании средств современной компьютерной техники, бурное развитие которых в настоящее время привело к очевидной доступности надежных и производительных персональных компьютеров и периферийных устройств.
Обоснование стратегии нахождения показателей результативности этапов прядильного производства
Как показано в разд. 1.2 пока не существует методик определения показателей результативности этапов прядильного производства. Однако, в соответствии с нормативным документом [3] провозглашается процессный подход при разработке, внедрении и улучшении результативности системы менеджмента качества с целью повышения удовлетворенности потребителей путем выполнения их требований. При этом для успешного функционирования предприятие (организация) должна определить и осуществлять менеджмент многочисленных взаимосвязанных видов деятельности. Деятельность, использующая ресурсы и управляемая с целью преобразования входов в выходы, может рассматриваться как процесс. Часто выход одного процесса образует непосредственно вход следующего и основной оценочной задачей является определение результативности исследуемого процесса. Согласно [30] под результативностью понимают «степень реализации запланированной деятельности и достижения запланированных результатов». Данное определение слишком общее и затрагивает все сферы деятельности (производственную, социальную, экономическую и т.д.). Для оценки результативности технологических процессов (у нас этапов) целесообразно первоначально установить ее разновидности по различным признакам (см. табл. 2.1). Наибольший интерес в рамках решаемой задачи представляет, на наш взгляд, понятие «технологической результативности», которое предлагается представить в виде двухуровневой конструкции: а) на уровне качественных характеристик «технологическая результатив ность процесса является его сложным свойством, представляющим собой сово купность простых первичных свойств выходной продукции»; б) на уровне количественных характеристик «оценка технологической ре зультативности это степень соответствия значений информативных количест венных характеристик простых первичных свойств выходной продукции их за планированным (нормативным) значениям». Предлагаемая методология определения результативности этапов прядильного производства [66] основывается на обоснованном выборе номенклатуры наиболее значимых единичных показателей результативности (ЕПР) и формировании комплексного показателя результативности (КПР) на основе известных методов квалиметрии. При выборе оптимальной номенклатуры ЕПР в настоящий момент предлагаем применять смешанный подход при определении показателей результативности этапов прядильного производства, в соответствии с которым не производится деление ЕПР на позитивные и негативные, т.к. данное обстоятельство можно учесть при формировании выражений для расчета дифференциальных показателей результативности. При этом в качестве ЕПР предлагаются показатели, позволяющие получить наиболее полную информацию о состоянии конкретного процесса. В качестве основного метода ранжирования использован экспертный метод, где экспертами являлись ведущие специалисты текстильных предприятий и организаций Ивановской области. Выбор экспертного метода обусловлен отсутствием достаточного количества экспериментальных данных, необходимых для применения аналитических методов ранжирования. На этапе нормирования (формирования дифференциальных показателей результативности) предлагаем использовать математические выражения с учетом фактических значений показателей свойств входного и выходного продуктов, теоретически достижимых наилучших значений показателей и наилучших на данный момент значений показателей свойств, полученных на данном оборудовании рассматриваемого предприятия. Общий алгоритм проектирования качества продуктов прядильного производства заключается в выполнении следующих этапов [67]: 1) оценивание ЕПР технологических этапов прядильного производства по всем рабочим цепочкам и занесение результатов в базу данных [68]; 2) определение технологических свойств (требований ткацкого производства) пряжи как на уровне отдельных показателей свойств (нормативные значения), так и на уровне КПК. 3) последовательный расчет с использованием формулы (2.1) КПК ленты с ленточных машин, чесальной ленты, технологической смеси волокон и смеси (сортировки) волокон с применением данных о ЕПР оборудования, на котором планируется вырабатывать проектируемые продукты.
Проектирование смеси хлопковых и химических волокон с использованием компьютерных технологий
В разд. 1.1 показано, что исследования в области проектирования смесей различных видов волокон необходимо продолжать в направлении создания методик автоматизированного проектирования с учетом стоимости сырья и реального состояния технологического оборудования по переходам прядильного производства. Критерии для определения оптимальности спроектированной смеси аналогичны изложенным в разд. 3.1. Принципы оценивания качества смеси различных видов волокон подробно рассмотрены в [10]. В соответствии с ними качество спроектированной смеси может быть определено с помощью КПК по семи ЕПК волокон. При этом основной акцент делался на гармонизацию показателей, представленных в нормативных документах на хлопковые [70] и химические [76] волокна. Единый перечень ЕПК волокон в соответствии с [10] представим в табл. 3.3. На наш взгляд, показатель Єр можно исключить из перечня по следующим причинам: - он остается практически постоянным (7...9 %) для хлопковых волокон. Но при этом для определения его истинного значения необходимо воспользо ваться очень трудоемкой методикой по разрыву одиночных волокон; — влияние данного показателя на качество смеси было бы заметно при сравнении смесей хлопковых волокон с различными видами волокон (напри мер, если бы нужно было сравнить смеси из хлопковых и вискозных волокон или смеси из хлопковых и полиэфирных волокон), но такой задачи в данной ра боте не ставилось. Таким образом, предлагается шесть показателей качества волокон, по которым целесообразно вести проектирование смеси хлопковых и химических волокон. Общие формулы для определения КПК отдельных компонентов и смеси в целом, а также стоимости смеси аналогичны применяемым при проектировании сортировки хлопковых волокон выражениям (3.3)...(3.5). Разница заключается в выражениях для расчета дифференциальных показателей качества (ДПК) и используемых в них нормативных значениях. Приведем формулы для расчета дифференциальных показателей качества волокон смеси в табл. 3.4. Кроме того, экспертным методом определены коэффициенты весомости ЕПК из табл. 3.3, причем экспертам предлагалось ранжировать перечень показателей четыре раза для различного ассортимента вырабатываемой пряжи. Результаты обработки мнений экспертов представлены в табл. 3.5. Для проектирования смеси хлопковых и химических волокон использовали имеющийся алгоритм для проектирования сортировки хлопковых волокон, но при условии введения дополнительной базы данных по нормативным значениям показателей качества химических волокон и модернизации алгоритма в части, касающейся расчета ДПК компонентов смеси. В этом случае прибавляется часть алгоритма, отвечающая за добавление химического компонента в фактически спроектированную сортировку хлопковых волокон. Принцип работы добавленной части алгоритма следующий: - оператор ставит галочку в главном окне программы (рис. 3.2) напротив подписи «Добавить химическое волокно». В том же окне появляется область (рис. 3.6) с возможностью выбрать вид добавляемого волокна (доступны полиэфирное, полиамидное, вискозное, полинозное и сиблон) и ориентировочную долю его вложения (доступны доли 7%, 17%, 33%, 50%, 67%, 83% и 93%); - после задания необходимых параметров, как по хлопковым, так и по химическим компонентам в соответствии с требованиями заказчика продукции необходимо нажать кнопку «Вычислить»; - программа сначала спроектирует оптимальную сортировку хлопковых волокон, а затем будет добавлять химический компонент в интервале ±5% от заданной с шагом в 1%, рассчитывая при этом КПК смеси и ее стоимость. При этом, если на складе есть несколько партий химического волокна данного вида, то все они будут проверены; - далее из рассчитанных вариантов смеси программа выбирает оптимальный по соотношению «качество/стоимость»; - в заключении автоматически рассчитываются средневзвешенные показатели смеси, необходимые для настройки параметров технологического оборудования, и выдается протокол, аналогичный представленному на рис. 3.5, но с добавлением информации о вложенном химическом компоненте. Дополнительная часть программы дает возможность работать с базой данных по партиям химического волокна в таком же объеме, как с базой данных хлопкового волокна.
Формирование алгоритма компьютерного измерения показателей протяженности (длины) хлопковых волокон
Как отмечено в разд. 1.2. характеристики протяженности, получаемые методами, стандартизированными у нас и за рубежом, существенно отличаются друг от друга. Так, существующие в Российской Федерации нормативные документы [7, 97] предусматривают следующие характеристики длины текстильных волокон: средняя арифметическая длина, модальная длина, штапельная длина, среднеквадратическое отклонение от средней арифметической длины, коэффициент вариации длины группы текстильных волокон (см. табл. 4.1). В то же время нормативный документ [70], принятый в 2001 году в республике Узбекистан (основной экспортер хлопкового волокна в Россию), предусматривает другой набор характеристик длины текстильных волокон: средняя условная длина, эффективная (верхняя средняя) длина, а также длины групп волокон, соответствующие заданной оптической плотности поглощенного светового потока (табл. 4.1). При этом в технологическом аспекте более важными являются показатели, используемые в РФ, однако методы, применяемые за рубежом (HVI), имеют большую производительность.
В основу компьютерного метода измерения длины хлопковых волокон положен принцип просвечивания бородки волокон (аналогично измерительной системе HVI). В работе [98] говорится о теоретической возможности перехода от характеристик протяженности волокон, применяемых за рубежом и определяемых по бородке волокон, к характеристикам, применяемым в РФ. Однако, приведенная информация не подтверждена практически. Применение нами пробы нового вида (рис. 4.1) существенно расширило функциональные возможности метода и улучшило его метрологические характеристики. Новизна предлагаемого способа подтверждена патентом РФ на изобретение [83]. протяженности волокон Общий алгоритм предлагаемого метода [99] состоит в выполнении следующих операций: приготовление из лабораторной пробы текстильных волокон ленты [37], плотное зажатие ленты поперек продольной оси по линии в середине ленты, вычесывание незажатых волокон с обеих сторон, снятие зажима, фотоэлектрическое сканирование по всей длине полученной пробы путем пропускания через нее света и измерения оптической плотности поглощенного светового потока, построение диаграммы изменения оптической плотности поглощенного светового потока по длине пробы, определение значений характеристик длины волокон, предусмотренных [70], с помощью графических построений, определение параметров теоретических распределений наиболее близких к построенной диаграмме, нахождение передаточной функции между подобранными теоретическими распределениями, дифференцирование передаточной функции по длине, определение значений функции плотности распределения кончиков текстильных волокон в пробе дифференцированием эмпирической функции изменения оптической плотности поглощенного светового потока, формирование промежуточной функции суммированием значений производной передаточной функции по длине и функции плотности распределения кончиков текстильных волокон в пробе, получение расчетной функции плотности распределения текстильных волокон по длине в штапеле, вычисление характеристик длины согласно [7, 97].
В ходе фотоэлектрического сканирования пробы получают диаграмму изменения оптической плотности поглощенного светового потока по длине пробы, представленную на рис. 4.2.
Абсциссу точки А, расположенной на вершине диаграммы, принимают за начало отсчета (рис. 4.3, а). Для определения средней условной длины Ly необходимо из точки А провести касательные к боковым ветвям диаграммы и определить углы а) и а2 отклонения касательных от вертикали, проведенной из точки А до пересечения с осью абсцисс в точке В. Сумма тангенсов углов а} и а2 пропорциональна удвоенному значению средней условной длины (рис. 4.3, а).
Для определения эффективной длины L3 следует отрезок АВ разбить пополам точкой С. Из точки С необходимо провести касательные к боковым ветвям диаграммы и определить углы а3 и с отклонения касательных от вертикали. Сумма тангенсов углов аз и сс4 пропорциональна удвоенному значению эффективной длины (рис. 4.3, б).
Для определения длины 50% оптической плотности поглощенного светового потока Is0% необходимо через точку С провести горизонтальный отрезок, соединяющий две ветви построенной диаграммы (рис. 4.3, в). Длина этого отрезка соответствует удвоенному значению длины 50% оптической плотности поглощенного светового потока.
Для определения длины 2,5% оптической плотности поглощенного светового потока L25% необходимо отложить вверх от точки В отрезок BD, длина которого равна 1/40 длины отрезка АВ. Через точку D проводят горизонтальный отрезок, соединяющий две ветви построенной диаграммы (рис. 4.3, г). Длина этого отрезка соответствует удвоенному значению длины 2,5% плотности поглощенного светового потока.
