ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Перспективным направлением в производстве архитектурно-строительного стекла, обладающего солнцезащитными свойствами является нанесение на поверхность стекла тонкопленочных покрытий ионно-плазменными методами, в частности, методом электродугового испарения в вакууме.

Необходимость совершенствования технологического процесса напыления покрытий, определения оптимальных режимов его проведения требует детального его изучения на основе создания функциональных математических моделей процесса.

Были проведены комплексные исследования, на основе которых была разработана и программно реализована с помощью средств среды программированияdelphi4,5 АСУ технологическим процессом напыления, в основе которой лежит математическая модель электродугового испарения и конденсации покрытия на стеклянную подложку.

Исследованию подверглись покрытия на основе оксинитрида титана, напыление которых проводилось в среде реакционной газовой смеси азота и кислорода в соотношении 3:1.

Процесс получения покрытия является сложной стохастической системой, наиболее адекватное рассмотрение которой с целью построения функциональной модели возможно с помощью математических методов планирования эксперимента.

Математическая модель процесса реализована в виде четырехфакторной полиномиальной регрессионной модели второго порядка. Функция отклика (целевая функция) представляет собой комплексный показатель качества покрытия, реализованный в виде обобщенной функции желательности, в качестве параметров которой используются износостойкость, кислотостойкость, средняя шероховатость и микротвердость покрытий.

Выбранные факторы, их интервалы варьирования и установленные уровни указаны в таблице.

Уровни варьирования факторов

В качестве плана эксперимента был выбран четырехфакторный симметричный квази-d-оптимальный план.

В результате проведения эксперимента была получена математическая модель следующего вида:

y(x ₁,х ₂,х ₃,х ₄)= 9,5612 -1,3197x ₁+ 0,7350х ₂ + 0,2728х ₄ +1,1409x ₁х ₂ + +0,5821x ₁х ₃-0,2404x ₁х ₄- 0,2492х ₂х ₃ -1,7313x ₁²- 0,8275х ₂² - 0,4588х ₃² - 0,9413х ₄²

Проведение последующего дисперсионного анализа, а также анализ остатков показали адекватность полученной модели исходным данным.

Процесс получения солнцезащитного стекла помимо требований к качественным характеристикам покрытия накладывает ограничения на пропускную способность данного стекла, а именно на визуальный коэффициент светопропускания. Поэтому для создания работоспособной модели процесса напыления необходимо включение в нее совокупности ограничений на коэффициент светопропускания. Возможно включение ограничений и на ряд других характеристик стекла.

Функциональная зависимость коэффициента светопропускания от параметров технологического процесса была найдена в виде регрессионной модели аналогично модели для качественных характеристик покрытия:

Т(х ₁,х ₂,х ₃,х ₄) = 32,8304 -15,5819x ₁ +1,2772х ₂ + 10,9803х ₃ - 15,5525х ₄ ++3,0698x ₁х ₂+ 8,2465x ₁²+ 4,9368х ₄²

Результирующая математическая модель оптимизации процесса представлена в виде:

y(x ₁,х ₂,х ₃,х ₄) max

В_minЈt(x₁,x ₂,x ₃,x ₄)ЈВ _max

х _i(min)Јx _iЈx_i(max), i = 1,4,

где В_mахи В_min- соответственно верхняя и нижняя границы визуального коэффициента светопропускания, %;

x _i(max)Иx _i(min)-соответственно верхняя и нижняя границы варьированияi-фактором процесса.

Данная модель позволяет проводить исследования процесса электродугового напыления покрытий с помощью компьютерной имитации, а также проводить оптимизацию целевой функции модели (комплексного показателя качества) при наложении ограничений на пропускание и допустимые значения отдельных факторов.

Оптимизация полученной математической модели представляет собой стандартную задачу выпуклого программирования, которая в разработанной АСУ процессом напыления реализована с помощью метода сопряженных градиентов.

В заключение отметим, что разработанная программа управления и оптимизации технологического процесса является универсальной и позволяет проводить оптимизацию любого технологического процесса на основе приведенной выше модели.