Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ проблем по сварке разнородных металлов 14
1.1. Патентно-информационный обзор по способам сварки разнородных металлов и элементам системы управления лазерных технологических комплексов 14
1.2. Общие вопросы технологии сварки разнородных металлов 22
1.2.1. Характеристика химически активных и тугоплавких металлов и их свариваемость 23
1.2.2. Способы сварки разнородных металлов 27
1.3. Методика расчета функциональной зависимости параметров стыка
от теплофизических характеристик свариваемых металлов 30
1.3.1. Исследование процесса взаимодействия лазерного излучения с металлами 30
1.3.2. Анализ зоны-термического влияния ЛИ на металл 31
1.3.3. Метод определения угла наклона плоскости сварочного шва относительно нормали к поверхности металла 35
1.4. Параметры ЛТК, влияющие на показатели качества лазерной сварки 37
1.5. Микроструктурные исследования сварного шва 39
1.6. Расчет температурного поля в зоне взаимодействия 40
1.6.1. Зависимость показателей качества сварки от параметров лазерного технологического комплекса 42
Выводы 49
Глава 2. Оптико-физические методы исследования зоны взаимодействия лазерного излучения с металлами 51
2.1. Модель формирования микроструктур в металлах при лазерной обработке 51
2.1.1. Описания процессов, происходящих в зоне термического воздействия 51
2.1.2. Определение размеров зон 54
2.1.3. Выводы 57
2.1.4. Математическая модель теплового поля 58
2.2. Исследование поляризационных характеристик теплового излучения металлов 59
2.2.1. Поляризация теплового излучения как информативный параметр процесса взаимодействия лазерного излучения с металлами 61
2.2.2. Оптимизация способа измерения степени поляризации теплового излучения 64
2.2.3. Решение оптимизационной задачи по обеспечению требуемых параметров системы измерения поляризационных характеристик 66
2.2.4. Измерение степени поляризации по двум замерам интенсивности излучения 68
2.3. Методы измерения смещения фокуса лазерного излучения относительно сварного шва 73
2.4. Выводы 74
Глава 3. Анализ и синтез системы управления лазерного технологического комплекса сварки металлов 75
3.1. Синтез структурной схемы системы автоматического управления.. 75
3.1.1. Описание структуры САУ 77
3.1.2. Алгоритм функционирования САУ 80
3.1.3. Линеаризация передаточных функций звеньев САУ 82
3.2. Анализ САУ ЛТК 86
3.2.1. Математические модели элементов системы управления 86
3.2.2. Расчет показателей качества каналов САУ 88
3.2.3. Расчет устойчивости и запасов устойчивости 90
3.2.4. Определение качества регулирования 93
Выводы 97
Глава 4. Анализ полученных результатов и разработка принципиально новых звеньев ЛТК 98
4.1. Метод управления положением фокуса ЛИ 98
4.1.1. Позиционирование ЛИ относительно сварного шва 98
4.2. Канал лазерной подсветки для контроля положения фокуса лазерного излучения 100
4.2.1. Расчет параметров блока активного контроля геометрии сварного шва 101
4.2.2. Энергетическая оценка 104
4.3. Элементы САУ 105
4.3.1. Спектральный пирометр 105
4.4. Теоретико-экспериментальное исследование влияния модового состава ЛИ 112
4.5. Металлографические исследования сварных швов разнородных металлов 116
Выводы 118
Основные результаты работы 119
Список использованной литературы 120
- Патентно-информационный обзор по способам сварки разнородных металлов и элементам системы управления лазерных технологических комплексов
- Описания процессов, происходящих в зоне термического воздействия
- Линеаризация передаточных функций звеньев САУ
- Расчет параметров блока активного контроля геометрии сварного шва
Введение к работе
Повышение эффективности и качества выпускаемых изделий машиностроительного производства на современном этапе возможно только при комплексном внедрении прогрессивных технологий и автоматизации технологических процессов.
К перспективным технологиям относится и лазерная технология [1-6], позволяющая обеспечить требуемые показатели качества различных технологических процессов, среди которых наибольшее распространение нашли сварка, резка, упрочнение и др.
Для получения неразъемных соединений в промышленности применяется сварка. В качестве материалов свариваемых изделий из разнородных металлов часто используются тугоплавкие металлы в сочетании с конструкционными. С целью обеспечения высоких показателей качества сварного соединения при производстве ответственных деталей применяется электронно-лучевая сварка. При всех ее достоинствах она обладает рядом существенных недостатков. Основным из них является необходимость обеспечения вакуума в зоне сварки. Применение лазерной сварки (ЛС) позволяет получать неразъемные соединения в среде инертных газов при атмосферном давлении [1,7,21-34].
Однако применение лазерного излучения (ЛИ), как высокоэффективного технологического инструмента, сдерживается неудовлетворительными точностными характеристиками системы управления лазерных технологических комплексов (ЛТК). Это обусловлено низкой информативностью параметров, измеряемых в реальном времени хода технологического процесса (ТП) и характеризующих физико-химические свойства сварного шва [8,20]. Все это обуславливает необходимость проведения анализа и синтеза системы автоматического управления (САУ) для обеспечения заданного ТП.
Использование лазерной технологии сварки деталей из тугоплавких и химически активных металлов (молибден, вольфрам, титан, цирконий и их сплавы) в сочетании с конструкционными металлами, позволяющей
7 стабилизировать заданные показатели качества сварного шва
(микротвердость, глубина шва, отсутствие непроплавов, пор, раковин и т. д.),
требует применения новых подходов к управлению процессом сварки.
Решение этой задачи заключается в оптимальном выборе параметров звеньев САУ ЛТК для обеспечения заданных показателей качества технологической операции, где в качестве критерия оптимальности выступает его эффективность.
В настоящее время в литературе отсутствует информация о попытках применения методов оптимизации решения поставленной задачи, об алгоритмах управления и особенностях распределения теплового поля, возникающего в переходной зоне сварного шва разнородных металлов. Недостаточно полно обоснована взаимосвязь между показателями качества ТП сварки и параметрами ЛТК. Это связано со сложностью протекающих физико-химических процессов при взаимодействии концентрированных источников энергии с поверхностью металлов и отсутствием информативных параметров из зоны взаимодействия, измеряемых в реальном времени.
Комплексный подход при разработке ЛТК включает решение задачи анализа и синтеза его системы управления с обратными связями по информативным параметрам из зоны взаимодействия излучения с металлом, измеряемым в реальном времени с применением новых методов обработки [1-3]. Экспериментальные исследования по сварке разнородных металлов лазерным излучением позволяют решать задачи моделирования процесса управления параметрами ЛТК для достижения заданных показателей качества ТП [1-9].
В связи с этим исследования физических закономерностей взаимодействия лазерного излучения с металлами при сварке, различных методов обработки информативных параметров из зоны взаимодействия, способов расчета оптимальных характеристик САУ, формирование стыка, разработка методов и алгоритмов управления ЛТК по параметрам, измеряемым в реальном времени, для повышения эффективности производства является актуальной задачей.
8 Целью диссертационной работы является повышение эффективности
ЛТК сварки разнородных металлов с требуемыми характеристиками качества
сварного шва за счет повышения точностных характеристик процесса
измерения информативных параметров и формирование стыка на основе
теплофизических расчетов распределения теплового поля в зоне воздействия
ЛИ на этапе технологической подготовки производства.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие
научные задачи:
- проведены экспериментальные исследования влияния внешних
факторов на показатели качества лазерной сварки разнородных металлов;
- разработана методика расчета функциональной зависимости
параметров стыка от теплофизических характеристик свариваемых металлов
с учетом влияния распределения теплового поля в зоне воздействия ЛИ;
- проанализированы результаты теоретико-экспериментальных
исследований влияния модового состава ЛИ на распределение температуры
по объему зоны сварки для выявления зависимости показателей качества ТП
и использовать их в расчетах;
- рассчитаны оптимальные параметры ЛИ на основе математической
модели с учетом распределения температурного поля по объему зоны
взаимодействия излучения на стыке свариваемых разнородных металлов;
- исследовано влияние информативных параметров САУ ЛТК,
измеряемых в реальном времени из зоны сварки, на стабильность
характеристик ТП;
- найдена возможность улучшения характеристик сварки разнородных
металлов за счет управления положением фокуса ЛИ с учетом наклона
стыковой поверхности и отклонение фокуса относительно сварного шва.
Методы исследований. В работе для решения поставленных задач использовались современные стандартные методики.
Для исследования микротвердости и микроструктуры сварного шва применялись поперечные шлифы. Для выявления микроструктуры поверхностного слоя в металлах применяли стандартные методы изготовления шлифов.
Металлографический анализ структуры упрочненного слоя проводили с
помощью микроскопа «ММР-4». Съемку микроструктуры проводили цифровым фотоаппаратом.
Измерение микротвердости осуществляли с помощью микротвердомера «Дюримет» при нагрузках 50 гр. и 100 гр.
Для решения поставленных задач использованы методы математического и имитационного моделирования, реализованные в рамках численных экспериментов. Экспериментальные исследования по взаимодействию лазерного излучения с металлами проводились на лазере «Хебр-2,5» с использованием методов металлографического анализа образцов. Результаты исследований и измерений обрабатывались с применением математической статистики с доверительной вероятностью 0,95 и пакетов прикладных программ SciLAB и 3.0 Math.
Научная новизна:
Методика расчета функциональной зависимости параметров стыка от теплофизических характеристик свариваемых металлов на основе математического моделирования распределения теплового поля в зоне воздействия ЛИ для обеспечения требуемых значений показателей качества сварки разнородных металлов (отсутствие прожигов, непроваров, пор, раковин, глубина и ширина шва, микротвердость и т. д.) на этапе технологической подготовки производства в автоматическом режиме.
Методика расчета оптимальных параметров режимов ТП на основе математической модели, в отличие от известных подходов, учитывает функциональную зависимость параметров стыка от теплофизических характеристик свариваемых металлов, что приводит к повышению эффективности автоматизированного процесса сварки разнородных металлов с требуемыми характеристиками качества сварного шва.
3. Теоретико-экспериментальное исследование влияния модового
состава ЛИ, определяющего распределение температуры по объему зоны
взаимодействия ЛИ с металлом, позволяющее уточнить математическую
модель управления процессом сварки в автоматическом режиме.
4. Метод управления положением фокуса ЛИ, в отличие от известных,
учитывает наклон стыковой поверхности и отклонение фокуса относительно сварного шва на основе теплофизичесьсих расчетов, что повышает показатели качества автоматизированного ТП сварки разнородных металлов.
5. Совершенствование звеньев САУ ЛТК на основе измерения
информативных параметров в реальном времени из зоны сварки,
обеспечивающих стабилизацию характеристик ТП для получения сварных
деталей с заданными показателями качества.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. Широкое применение предложенного способа стабилизации
показателей качества ТП позволит снизить ограничения по выбору
свариваемых пар разнородных металлов, что существенно расширяет
возможности применения лазерной технологии сварки;
2. Разработанный метод определения угла наклона плоскости сварочного
шва относительно нормали к поверхности металла в зависимости от
количества тепла, необходимого для нагрева и расплавления единицы объема
разнородных металлов на основании теплофизических расчетов
распределения температурного поля в зоне шва, предназначен для
конструкторских и технологических отделов и бюро предприятий
машиностроения;
Разработанная методика расчета установки зоны воздействия ЛИ относительно стыковой линии является основой для комплексной автоматизации, что позволяет совершенствование технологии сварочного производства с использованием лазерного излучения;
Результаты теоретических и экспериментальных исследований по лазерной сварке разнородных металлов расширяют область знаний, используемых в учебном процессе вуза или при переподготовке специалистов.
Внесен вклад в развитие лазерных технологических комплексов с регулируемыми выходными параметрами с расчетом показателей качества сварки разнородных металлов.
6. Результаты диссертационной работы являются теоретической основой для расчета технологических параметров сварки деталей и позволяют сформулировать рекомендации по граничным значениям показателей качества с целью повышения эффективности ТП.
Результаты диссертационной работы внедрены и использованы на практике в работе ФГУП «СКТБ «Мединструмент» (г. Казань), ФГУП «НПО «Государственный институт прикладной оптики» (г. Казань), ЗАО НПО «Оптоойл» и учебном процессе ИНЭКА и КГТУ им. А. Н. Туполева (КАИ).
На защиту выносятся следующие научные положения и выводы:
Новые факторы, влияющие на стабильность показателей качества ТП лазерной сварки, выявленные путем исследования результатов металлографического анализа сваренных образцов из разнородных металлов, и повышающие эффективность автоматизированного управления ТП с требуемыми характеристиками качества сварного шва.
Уточненная математическая модель распределения теплового поля в зоне воздействия ЛИ для расчета параметров стыка на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований их функциональной зависимости от теплофизических характеристик свариваемых металлов.
Методика определения оптимальных параметров режимов ТП лазерной сварки на основе функциональной зависимости параметров стыка от теплофизических характеристик свариваемых металлов
Способ управления положением фокуса ЛИ относительно сварного шва с учетом его геометрии для получения требуемых значений показателей качества сварки разнородных металлов в автоматическом режиме на основе расчета установки по результатам математического моделирования распределения теплового поля в зоне сварки.
Обоснование выбора параметров звеньев САУ ЛТК на основе расчета математической модели распределения температурного поля по объему зоны взаимодействия излучения на стыке свариваемых металлов, обеспечивающих требуемые значения и стабилизацию характеристик ТП.
Личный вклад автора в диссертационную работу состоит: в выборе и обосновании методики разработки САУ и проведения экспериментальных
12 исследований, анализе, синтезе, расчете параметров и обобщении
полученных данных.
Структура и объём диссертации. Диссертация содержит 130 страниц машинописного текста, 66 рисунков и 5 таблиц и состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 107 наименований.
В первой главе проведен обзор по применению ЛТК для сварки металлов с выявлением их особенностей, изложены предпосылки и необходимость исследований поставленной задачи, дана характеристика проблемы, анализ показателей качества, их сравнительная оценка, патентно-информационный обзор по системам управления и определены пути ее решения.
Во второй главе проведен анализ взаимосвязи параметров ЛТК и параметров ТП сварки с качеством сварного шва. На основе анализа микроструктурных исследований показано, что существуют их граничные значения, за пределами которых рассматривать неразъемное соединение двух деталей как сварку не корректно. Это связано с большим разбросом теплофизических характеристик свариваемых металлов. Разработана математическая модель ЛТК.
В третьей главе рассматривается анализ и синтез САУ, а также методика ее построения, базирующаяся на связи показателей качества ТП ЛС разнородных металлов от параметров ЛТК. Воспроизводимость их значений в ходе ТП в основном зависит от стабильности температуры в зоне воздействия излучения на металлы и от положения фокуса ЛИ относительно сварного шва.
В четвертой главе проводится анализ влияния параметров САУ на показатели качества ТП. Решается задача по разработке метода контроля положения фокуса ЛИ относительно сварного шва, представлен метод измерения температуры ЗТВ и приводятся результаты металлографических исследований сварных швов.
Разработанные алгоритмы программ по расчету параметров САУ и ТП включают в себя последовательность операций в соответствии с математической моделью, по которым производится расчет управляющих
13 воздействий на САУ для последующего их преобразования и выдачи
сигналов на исполнительные механизмы.
В заключение работы приведена общая характеристика работы и
основные выводы по результатам диссертационной работы. Поставленная
цель — повышение качества лазерной сварки — достигнута за счет
повышения точности позиционирования ЛИ на тугоплавком металле около
сварного шва, определения угла наклона стыковой плоскости и внедрения
разработанной структурной схемы САУ ЛТК с оптимизацией показателей
качества управления.
Патентно-информационный обзор по способам сварки разнородных металлов и элементам системы управления лазерных технологических комплексов
В последнее время лазерная сварка широко применяется в автомобильной, аэрокосмической, авиационной, судостроительной и электронной промышленности при получении стыковых, нахлесточных и тавровых соединений со сквозным и глубоким проплавлением в различных конструкциях и деталях [76]. Однако использование особенно мощных газоразрядных СОг-лазеров для производства различного рода изделий сдерживается низким качеством сварных соединений [1-9].
Неудовлетворительное качество швов, полученных с помощью ЛС, обусловлено нестабильной работой самих лазерных установок (колебаниями мощности резонатора, изменениями свойств оптического тракта), свойствами самой ЛС, которая представляет собой периодический процесс образования канала проплавлення в свариваемом материале, формирования пароплазменного факела на поверхности изделия, захлопывания канала проплавлення жидким металлом [1]; характеристиками свариваемого материала и изделия (изменение коэффициента отражения лазерного излучения в процессе сварки, неоднородность физико-химических свойств по толщине свариваемого изделия, колебания теплофизических параметров по длине сварного соединения, коробление и отслаивание в свариваемом соединении, флуктуации положения фокальной точки лазерного луча относительно поверхности изделия в процессе сварки и др.) [8]. Поэтому для стабилизации параметров проплавлення необходимо оценивать критерии качества сварного соединения на основе информации, получаемой непосредственно из зоны взаимодействия лазерного луча с изделием, и регулировать технологические параметры для получения сварных соединений с заданными характеристиками [20]. С этой целью в данной работе проведён следующий патентно-информационный обзор.
В работе [41] описан способ получения сварного соединения деталей из разнородных материалов, при котором на детали из трудносвариваемого сплава закрепляют технологический элемент и сваривают со второй деталью дуговой сваркой плавлением. Он отличается тем, что при получении соединения многослойной детали из тонкостенных элементов и трудносвариваемого сплава с арматурой технологический элемент изготавливают из металла арматуры. Далее конструкцию закрепляют на многослойной детали контактной роликовой сваркой, располагая его внахлестку на многослойной детали. Роликовые электроды устанавливают один на технологическом элементе, другой — на многослойной детали со смещением друг относительно друга. Способ стыковой контактной сварки сопротивлением деталей из разнородных металлов рассмотрен в работе [42]. При этом на торце одной детали выполняют выточку таким образом, что выточка выполняется на торце детали с меньшим удельным сопротивлением. При этом выбирают соотношение площадей сечения деталей в стыке из условия их прямой пропорциональности удельному сопротивлению материалов свариваемых деталей.
В работе [43] предложен способ стыковой контактной сварки сопротивлением из разнородных металлов, немногим отличающийся от способа [42]. Здесь на торце детали с большим удельным сопротивлением выполняют конусный выступ, а на торце детали с меньшим удельным сопротивлением конусную выточку. Предлагается, чтобы с целью одновременного нагрева металлов в стыке до расплавления, соотношение площадей сечения должно быть прямо пропорционально удельному сопротивлению материала свариваемых деталей.
Способ, предложенный в [44], может быть использован при сварке металлов с разными физико-механическими свойствами, например, быстрорежущей стали с конструкционной. На торце одной детали выполняют выступ, а на торце другой детали — выточку. Выступ выполняют на торце детали с большим удельным сопротивлением, а выточку — на торце детали с меньшим удельным сопротивлением. Соотношение площадей сечения деталей в стыке выбирают из условия их прямой пропорциональности удельному сопротивлению материала свариваемых деталей. Выступ и выточку можно выполнять с конусной частью, а также с сечением в виде многоугольника. Способ позволяет значительно улучшить качество сварки.
Предложенное в работе [45] изобретение относится к способам соединения труб из разнородных материалов и может быть использовано при соединении труб, выполненных из материалов, которые не могут быть соединены между собой при помощи сварки или соединительных элементов. Техническая задача — повышении прочности соединения труб, выполненных из разнородных материалов: нержавеющей стали и циркония, подвергающихся воздействию агрессивных сред и нейтронного потока. Способ соединения труб основан на размещении между соединяемыми поверхностями: нержавеющей трубой и трубой из циркония промежуточного элемента в виде проволоки из нержавеющей стали и ротационного обжатия по наружному диаметру нержавеющей трубы.
Изобретение [46] может быть использовано при сварке молибдена со сплавами на основе никеля, железа или кобальта в авиационной и других отраслях машиностроения. Поверхность никелевой фольги предварительно насыщают марганцем до концентрации 30-40 ат. %. Проводят с использованием промежуточной никелевой прослойки сварку разнородных материалов. Предложенный способ позволяет повысить прочность композиционных материалов на растяжение при температурах эксплуатации до 1150 С.
Способ соединения деталей из разнородных материалов, предложенный в работе [47], может найти применение при получении цилиндрических соединений, концентрично расположенных деталей при ремонте и в других отраслях машиностроения. Деталь (1) из плохо сваривающегося материала располагают внутри детали (2) из хорошо сваривающегося материала, на отдельных участках которой делают разделку (3) под сварку. Выполняют сварку с наплывом (4) металла на торец из плохо сваривающегося материала. Такое соединение обладает угловой и линейной устойчивостью, просто в изготовлении.
Описания процессов, происходящих в зоне термического воздействия
Расчетная длина волны — 0,84 мкм; фокусное расстояние — 25,1 мм; расстояние от переднего фокуса до первой поверхности линзы — 22,3 мм. Требования к оптической системе канала фотоприемника реализуются в объективе, состоящем из трех линз (табл. 4). Расчетная длина волны 0,84 мкм; фокусное расстояние 71,3 мм; расстояние от переднего фокуса F до первой поверхности линзы 85,5 мм; расстояние от фотоприемника до первой поверхности линзы 133 мм; расстояние от последней поверхности объектива до заднего фокуса F — 42,8 мм. Для уменьшения габаритов оптики в промежутке между фотоприемником и объективом установлено плоское ломающее зеркало, как иллюстрация того, что с помощью аналогичных зеркал (нескольких) можно оптимизировать габариты оптической части канала фотоприемника. Диаметр кружка рассеяния не превышает 5 мкм. Таким образом, основным звеном системы управления лазерного технологического комплекса, определяющим показатели качества технологического процесса является звено контроля положения лазерного излучения относительно сварного шва. Разработанная схема контроля позволяет с требуемой точностью позиционировать фокус лазерного излучения относительно сварного шва. Измерение степени поляризации суммарного излучения металла и плазмы позволяет судить об изменении геометрии излучающей поверхности и определять критические значения степени поляризации для данного металла, при котором происходит выброс металла из зоны взаимодействия. В результате, критерием оценки параметров ТП сварки можно считать степень поляризации теплового излучения, измеряемую в реальном времени. Данный подход позволяет построить систему автоматического управления ЛТК со стабилизацией заданных показателей качества ТП. В данном случае в качестве критерия оптимизации и целевой функции процесса исследования теплового поля выбираем метод, удовлетворяющий заданному быстродействию САУ и ее точности [105]. При проектировании системы критерий может относиться к ее эффективности: минимуму экономических и временных затрат на её разработку в заданном динамическом диапазоне изменения параметров и максимуму показателей качества системы управления. Несмотря на все разнообразие критериев их можно свести к единой математической записи - целевой функции, которая в концентрированной форме отражает смысл решаемой задачи по оптимизации системы в наилучшем приближении её характеристик к требуемым показателям качества ТП. Общим свойством векторных волн является их поляризация. Это свойство вектора напряженности электрического поля, характеризующего волны, есть ориентация в пространстве и времени. Его ориентация подчиняется определенным законам, зависящим как от источника, так и от среды, в которой распространяется волна. Для квазимонохроматического излучения [61] мгновенное значение напряженности электрического поля описывается выражением: В общем случае вектор Ei описывает в пространстве эллипс, причем каждый поляризационный эллипс имеет различные свойства. Поэтому суммарный вектор будет описывать более сложную траекторию. Для плоской ТЕ-волны, когда EiZ = 0 и вектор напряженности Ei будет состоять только из двух компонент EiX и ЕіУ, траектория движения вектора будет также описываться эллипсом, однако его эллиптичность, ориентация и размер будут непрерывно изменяться во времени. В данном случае -можно представить на сфере Пуанкаре изменение параметров поляризационного эллипса, как некоторую ограниченную замкнутую область (рис. 28), характеризующуюся граничными значениями эллиптичности и азимута. Проведем усреднение значений эллиптичности и азимута в данной зоне. Считая, что для равномерного распределения случайной величины на отрезке (а,Ь) его плотность вероятности постоянна и равна 1, а вне отрезка равна 0, математическое ожидание представим в виде:
Линеаризация передаточных функций звеньев САУ
В числе основных требований, предъявляемых к системам автоматического регулирования, должно быть, прежде всего, выполнено условие устойчивости. Чтобы качественно выполнить задачу в различных изменяющихся условиях работы, система должна обладать определенным запасом устойчивости.
В устойчивых системах автоматического регулирования переходный процесс с течением времени затухает и наступает установившееся состояние. Как в переходном режиме, так и в установившемся состоянии выходная регулируемая величина x(t) отличается от желаемого закона изменения на некоторую величину, которая является ошибкой и характеризует точность выполнения поставленных задач. Ошибки в установившемся состоянии определяют статическую точность системы и имеют большое практическое значение [75], поэтому при составлении технического задания отдельно выделяют требования, предъявляемые к статической точности.
Большой практический интерес представляет поведение системы в переходном процессе. Показателями переходного процесса являются время переходного процесса Трег, перерегулирование а и число колебаний п регулируемой величины около линии установившегося значения за время переходного процесса.
На рис. 43 показан переходный процесс в некоторой системе автоматического регулирования, вызванный типовым воздействием. Переходный процесс этого графика соответствует устойчивой системе. Время переходного процесса Трег, или время регулирования, определяется промежутком времени от момента приложения воздействия до момента (точки Л), когда абсолютная величина разности между регулируемой величиной x(t) и ее значением в установившемся состоянии х( х ) становится во все последующие моменты времени меньше некоторой заданной малой величины Д. Часто Д выбирают равной 5% от установившегося значения регулируемой величины. Время переходного процесса является важным показателем, характеризующим быстроту реакции системы, или ее быстродействие. Перерегулирование (%) может служить мерой колебательности процесса: ст = та , , -100%, где хтах - максимальное значение регулируемой величины. Допустимые значения перерегулирования чаще всего находятся в пределах от 0 до 25%. Число колебаний за время переходного процесса также является мерой колебательности. Обычно требуется, чтобы число колебаний п 2. Показатели переходного процесса характеризуют качество системы автоматического регулирования и являются одним из важнейших требований, предъявляемых к динамическим свойствам системы. В тех случаях, когда воздействие (управляющее или возмущающее) не является типовым сигналом и не может быть сведено к типовому, т.е. когда оно не может рассматриваться как сигнал с заданной функцией времени и является случайным процессом, в рассмотрение вводят вероятностные характеристики. Обычно при этом оценивается динамическая точность системы с помощью понятия среднеквадратичной ошибки. Исследование системы автоматического регулирования или ее элементов связано с изучением процессов, протекающих как в самой системе, так и в элементах. Характер и направление протекания процессов соответствуют тем или иным физическим законам, математическая формулировка которых для рассматриваемой системы и определяет уравнение, которое может быть положено в основу анализа. Уравнения, описывающие процессы в элементах и системе могут быть линейными и нелинейными, дифференциальными, разностными и алгебраическими, с постоянными и переменными коэффициентами и т.д. Реальные системы описываются, в общем случае, дифференциальными нелинейными нестационарными уравнениями, однако такие модели систем вносят значительные затруднения в решение задач, особенно в тех случаях, когда имеют высокий порядок. Поэтому очень часто заменяют в первом приближении нелинейное дифференциальной уравнение линейным, а коэффициенты считают постоянными (в течении всего времени управления/наблюдения). Для расчета устойчивости и запасов устойчивости каждого контура воспользуемся частотным критерием Найквиста, согласно которому необходимо построить амплитудно-фазовые характеристики соответствующих разомкнутых систем [73]. Рассмотрим контур № 1 (рис. 38). В его состав входят элементы со следующими постоянными (математические модели рассмотрены выше): Из (54) с учетом данных таблицы 5 можно сделать вывод: разомкнутая система устойчива, следовательно, для обеспечения устойчивости системы в замкнутом состоянии, согласно критерию Найквиста, необходимо, чтобы разность между числами положительных и отрицательных переходов логарифмической фазовой характеристики через прямые -180, -540, ... равнялась нулю в том диапазоне частот, где усиление положительно.
Расчет параметров блока активного контроля геометрии сварного шва
Среди методов дистанционного измерения температуры широко распространен метод цветовой температуры, характеризующийся высокой помехозащищенностью. Однако, в условиях флуктуации параметров излучения эрозионного факела (ЭФ), возникающего в процессе взаимодействия ЛИ с металлом, данный метод малоэффективен. Поэтому необходимо применять новые информативные параметры теплового излучения, к которым относятся параметры вектора Стокса, например, второй параметр, определяемый степенью поляризации. Для повышения точности измерения температуры в условиях флуктуации параметров спектральных составляющих излучения применяем комбинированный метод, основанный на анализе спектральных сигналов и расчете температуры с поляризационной фильтрацией каждой составляющей спектра [56]. На рис. 56 изображена схема реализации способа. Она содержит спектральный прибор 1, на вход которого подается часть светового излучения из зоны обработки; поляризационную систему, состоящую из поляризаторов 2, фотоприемников 3, схем усиления, выборки и хранения аналогового сигнала (СВХ) 4, на каждую спектральную составляющую излучения; канал общей интенсивности, состоящий из фотоприемника 3 и СВХ 4; коммутатор 5; аналого-цифровой преобразователь (АЦП); микропроцессорную систему управления (МПС) с шиной управления 6. Излучение поверхности металла и факела направляется на вход спектрального прибора 1 и далее разлагается на монохроматические компоненты, которые попадают на поляризационно-чувствительные фотоприемники. В устройстве обработки информации происходит выделение спектральных составляющих излучения металла не менее чем трех длин волн согласно разработанному алгоритму, соответствующему математической модели: По данному спектральному распределению можно поставить в соответствие температуру металла. После преобразований получим для температуры: Далее по определенным таким образом трем значениям температуры металла Ть (і = 1 ...3) используя методы статистической обработки вычисляют усредненное значение. С целью оценки точностных показателей предложенного метода был проведен эксперимент. Определим погрешность вычислении температуры — по данным измерений плотности мощности излучения (р. Причиной ненулевых значений AT является погрешность измерений Аср, поэтому можно говорить о максимально достижимой точности вычисления Т, при условии отсутствия помех, искажающих поступающее на вход измерителя электромагнитное излучение. По условиям измерений диапазон температур 727... 1147 С (см. выше). Зададим рабочий диапазон длин волн так, чтобы гарантированно находиться в т.н. «цветовой» области, т.е. правее максимума р(А,т). В результате будет обеспечена однозначность зависимости т(А,(р), в выбранной области зависимость Т от д при фиксированной Я не имеет extr, является монотонно возрастающей. Нижняя граница диапазона определяется: Схема эксперимента изображена на рис. 57. Излучение из зоны обработки 3 подается на спектрофотометр 5, по показаниям которого строится спектральное распределение плотности мощности излучения 6 и определяется температура ЗЛВ Ті по формуле (62), далее излучение проходит через 4-х площадочный анализатор-поляризатор 7, на выходе которого измеряются плотности мощности излучения для 3-х длин волн, по которым строится расчетное спектральное распределение плотности мощности излучения 8 и определяется из (59)-(62) температура Т2. Эталонные показания температуры Т0 снимаются с помощью термопары 9. Повышенное значение погрешности определения температуры связано с наличием помех, искажающих поступающее на вход измерителя электромагнитное излучение. Если в первом случае наличие этих помех никак не учитывалось, то во втором случае удалось существенно повысить точность за счет поляризационной фильтрации. Однако предельно минимальная погрешность не была достигнута, что говорит о неполном исключении влияния помех.
Использование разработанного метода измерения температуры ЗТВ позволяет создать САУ ЛТК сварки. Применение этой системы обеспечивает измерение в режиме реального времени с высокой точностью, что делает возможным оперативно изменять параметры ТП и, следовательно, повышает качество ТП.
Для повышения точности измерения температуры металла в зоне взаимодействия с лазерным излучением в условиях экранирования плазменным факелом вводят поляризационную фильтрацию теплового излучения. На рис. 59 приведена структурная схема метода измерения на основе многоспектрального пирометра.
Похожие диссертации на Автоматизация процесса лазерной сварки разнородных металлов на основе параметров, характеризующих объемное распределение температурного поля
