Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 10
Глава 2. Исследование диэлектрических свойств полиамида-610 26
2.1. Исследование диэлектрических свойств полиамида-610 методом измерения накуметре 26
2.2. Исследование диэлектрических свойств полиамида-610 методом автоматизированного эксперимента 37
2.3. Технологическая схема процесса высокочастотной сварки корпусов аккумуляторов и аккумуляторных батарей и анализ сварочной установки как объекта управления 42
Глава 3. Разработка математической модели и способа управления процессом высокочастотной сварки изделий из полиамида 50
3. 1 Математическая модель процесса высокочастотной сварки полиамидов 50
3.2. Интенсивность процесса сварки и распределение температуры в толще материала 53
3.3. Способ управления процессом высокочастотной сварки изделий из полиамида 59
Глава 4. Разработка автоматизированной системы управления процессом высокочастотной сварки изделий из полиамида 69
4.1. Алгоритм управления процессом высокочастотной сварки корпусов аккумуляторов и аккумуляторных батарей 69
4.2. Автоматизированная система управления процессом высокочастотной сварки корпусов аккумуляторов и аккумуляторных батарей 73
4.3. Оценка эффективности от применения автоматизированной системы управления процессом сварки 82
Выводы 86
Условные обозначения 88
Литература
- Исследование диэлектрических свойств полиамида-610 методом измерения накуметре
- Исследование диэлектрических свойств полиамида-610 методом автоматизированного эксперимента
- Интенсивность процесса сварки и распределение температуры в толще материала
- Алгоритм управления процессом высокочастотной сварки корпусов аккумуляторов и аккумуляторных батарей
Введение к работе
Актуальность работы. Высокочастотный (ВЧ) метод сварки термопластов обеспечивает быстрый и локальный (в зоне свариваемого шва) нагрев соединяемых поверхностей без проплавлення всего объема материала. При этом прочность соединений, как правило, превышает прочность соединений при других методах сварки и близка к прочности исходного (целого) материала. Однако, технология ВЧ-сварки термопластов, отличающихся узким диапазоном перехода в вязко-текучее состояние и одновременно высокой температурой этого перехода, остается недостаточно совершенной. Для таких материалов (к их числу относятся полиамиды) требуется точное соблюдение теплового режима сварки, что практически невыполнимо в условиях изменения параметров процесса. В противном случае брак готовой продукции значительно возрастает.
Модернизация технологии ВЧ-сварки полиамидов возможна только на основе научно обоснованной методологии управления объектом. Составным этапом решения этой общей задачи является исследование объекта управления как электротехнологического комплекса ВЧ-генератор-термический процесс. В самом деле, в связи с отсутствием технической возможности измерения температуры в сварном соединении мгновенное значение данного параметра может быть найдено расчетным путем при использовании информации о параметрах электротехнологического комплекса - температуры электродов рабочего конденсатора и мощности внутренних источников тепла (определяемой, в свою очередь, через мгновенные параметры электрического режима ВЧ-генератора). Отвечающая такой постановке задачи математическая модель сварки должна описывать температурное поле в материале при изменяющейся мощности внутренних источников тепла и учитывать зависимость теплоемкости термопласта от температуры. Это позволит теоретически исследовать режимы ВЧ-сварки, осуществить обоснованный выбор параметров процесса с учетом оценки влияния температурного распределения в материале на качество сварки и в конечном итоге - разработать эффективный способ управления и автоматизированную систему управления процессом.
Диссертационная работа выполнялась в рамках внутривузовской программы научных исследований "Физические методы воздействия на химические реакции и процессы химической технологии", которые в течение ряда лет ведутся в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте в соответствии с одноименной Программой исследований РАН.
Цель работы. Повышение эффективности и качества высокочастотной сварки изделий из полиамида.
Защищаемые положения: - математическая модель сварки термопластов в высокочастотном
электрическом поле при изменяющейся температуре электродов, описывающая сварку как нестационарный процесс распространения тепла в толще материала и учитывающая зависимости фактора диэлектрических потерь и теплоемкости термопласта от температуры;
методика оценки качества сварки полиамидов по локальной температуре размягчения, фиксируемой на половине толщины свариваемой детали, и вычислительная процедура определения данного параметра;
способ управления процессом высокочастотной сварки изделий из
полиамида, предусматривающий ступенчатое снижение напряженности поля в материале при превышении критической температуры электродов рабочего конденсатора и устанавливающий момент переключения по достижении в сварном шве температуры первого максимума диэлектрических потерь;
- алгоритм и структура автоматизированной системы управления процессом
высокочастотной сварки изделий из полиамида, работающей в режиме
реального времени.
Научная новизна. Предложена математическая модель ВЧ-сварки термопластов при изменяющейся температуре электродов, отражающая распределенный характер тепловых процессов в толще материала и учитывающая зависимости фактора диэлектрических потерь и теплоемкости от температуры. Качество сварки термопластов предложено оценивать на основе анализа температурного распределения в толще материала. Показано, что оптимальным в отношении качества сварки являются форсированные режимы ВЧ-нагрева, при которых локальная температура на половине толщины свариваемой детали не превышает температуры размягчения термопласта.
Предложен способ управления процессом высокочастотной сварки изделий из полиамида, предусматривающий ступенчатое снижение напряженности электрического поля в материале при превышении критической температуры электродов рабочего конденсатора и устанавливающий момент переключения по достижении в сварном шве температуры первого максимума диэлектрических потерь. Разработаны алгоритм и структура АСУ процессом ВЧ-сварки корпусов щелочных аккумуляторов и аккумуляторных батарей. Система определяет мгновенную температуру в сварном соединении с использованием непрерывно контролируемых параметров объекта - температуры электродов, постоянной составляющей анодного тока генератора, напряжения на рабочем конденсаторе и реализует режим управления, обеспечивающий оптимальную в смысле качества сварки глубину прогрева соединяемых деталей.
Практическая ценность. Разработана методика определения диэлектрических свойств термопластов непосредственно из экспериментов
по высокочастотному нагреву. Методом автоматизированного эксперимента получена зависимость фактора диэлектрических потерь полиамида - 610 от температуры.
Исследовано влияние режимов высокочастотного нагрева (напряженности электрического поля и временной продолжительности процесса) на энергетические характеристики и качество сварки изделий из полиамида. Показана эффективность высокочастотной сварки изделий из полиамида в режиме ступенчатого уменьшения напряженности электрического поля, реализуемого с помощью предложенной АСУ (за счет оптимизации глубины прогрева свариваемых деталей обеспечивается высокое качество сварных соединений: процент брака продукции не превышает 2%, термический КПД процесса достигает 74%).
Разработанные способ управления и автоматизированная система управления могут найти применение при автоматизации сварки изделий из различных термопластов.
Реализация результатов. Автоматизированная система управления внедрена в производство в ОАО «НИАИ» ИСТОЧНИК» (г.Санкт-Петербург) в составе оборудования для высокочастотной сварки соединений крышка-корпус щелочных аккумуляторов и аккумуляторных батарей. Годовой экономический эффект от внедрения автоматизированной системы управления обеспечивается за счет значительного снижения брака готовой продукции и составляет 1080483 руб.
Апробация работы. Отдельные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на 5 Международной научной конференции «Действие ЭМ-полей на пластичность и прочность материалов» (Воронеж: Воронежский государственный технический университет, 2003) и на научных семинарах кафедры общей физики Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 научные работы.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 133 с, состоит из введения, четырех глав и четырех приложений. Количество рисунков 24, количество таблиц 19, список литературы включает 74 наименования.
Исследование диэлектрических свойств полиамида-610 методом измерения накуметре
Об эффективности применения ВЧ-нагрева судят по величине фактора диэлектрических потерь материала. В технологических процессах сварки пластмасс метод ВЧ-нагрева, как уже неоднократно отмечалось, является одним из наиболее совершенных. Именно по этой причине даже в тех случаях, когда подлежащий сварке полимер не обладает достаточными для эффективного высокочастотного нагрева диэлектрическими потерями, от ВЧ-сварки как от метода не отказываются, а прибегают к различным техническим приемам. Такими приемами, в частности, являются: предварительный подогрев изделия перед сваркой [5, 59, 60], что обеспечивает увеличение начальной величины є"; сварка с подкладным материалом, обладающим достаточньши диэлектрическими потерями [5, 59]; покрытие электродов рабочего конденсатора материалом с высоким фактором диэлектрических потерь [5, 6, 14, 15,59].
Фактор диэлектрических потерь полиамидов, как следует из литературных данных, уже при комнатных температурах достаточен для эффективного разогрева материалов в электрическом поле высокой частоты. Однако зависимости параметров є , tg6 и с" полиамидов от температуры исследованы неудовлетворительно, что затрудняет разработку и практическое применение технологии ВЧ-сварки этих материалов. Прежде чем непосредственно перейти к изложению содержания данной части исследования, очевидно, следует остановиться на известных свойствах материала. В табл. 2.1 систематизированы основные физико-механические и теплофизические свойства полиамила-610.
Обращают на себя внимание высокое значение Г,,., и чрезвычайно узкий диапазон вязко-текучего состояния. При этом степень кристалличности полиамида-610 значительна. Известно [5], что для кристаллических полимеров строгое соблюдение режима сварки особенно существенно. В противном случае степень кристалличности и форма кристаллических образований в сварном шве и в толще материала будут резко отличаться друг от друга, а, следовательно, будут отличаться плотности и механическая прочность в сварном шве и в толще материала.
Из числа других свойств, имеющих приоритетное значение в отношении успешной реализации процесса сварки, следует выделить близость значений температур текучести и плавления, а также низкую вязкость расплава. Параметром Ггек, как известно, характеризуют аморфные полимеры, а параметром Тпя - кристаллические. Полиамид-610 проявляет свойства как первого, так и второго. Превышение в ходе технологического процесса текущей температуры над Тга. для аморфного полимера, равно как и превышение текущей температуры над Тп;, для кристаллического, в одинаковой степени приводят к деформации - искажению первоначальной формы свариваемого изделия. С этой точки зрения при сварке изделий из полиамида требуется весьма точное поддержание режима нагревания в зоне сварного шва. Тогда можно ожидать, что благодаря низкой теплопроводности основной: объем материала не будет выведен из кристаллического или стекловидного состояния. Именно таким преимуществом избирательного нагрева, как известно, обладает метод высокочастотной сварки [5, 15, 16, 59, 64]. Вместе с тем, учитывая сильную зависимость теплоемкости полиамида от температуры (в табл. 2.1 значение теплоемкости приведено при Г = 20С; при Т = 7 Mj, теплоемкость претерпевает резкий скачок [21]), реализовать преимущества высокочастотного нагрева представляется возможным только при точном управлении тепловым режимом сварки.
Возвратимся теперь к предмету исследования настоящей главы.
На первоначальном этапе определение диэлектрической проницаемости є и тангенса угла диэлектрических потерь tgS полиамида-610 проводилось с помощью ку метра (измерителя добротности) Е9 - 4 резонансными методами двух и трех измерений [1,33,64]. Функциональная схема измерений представлена на рис. 2,1.
Она состояла из куметра I, к которому подключался емкостный измерительный преобразователь 2 с исследуемым материалом (образцом). Требуемая температура образца обеспечивалась нагревательными элементами 3 и контролировалась термопарами 4-І, подключенными к регулирующему потенциометру 4-2 (типа КСП-4). Устройство измерительного преобразователя показано на рис. 2.2.
Измерительный преобразователь представлял собой плоскопараллельный конденсатор с дисковыми электродами 1 и 2, между которыми размещался исследуемый образец 3, представлявший собой диск диаметром 30 мм из листового материала толщиной 2,4 мм. Электроды заключены в герметичный
Исследование диэлектрических свойств полиамида-610 методом автоматизированного эксперимента
В связи с техническими трудностями получения достоверных данных о параметрах є и tg5 полиамида-610 в области повышенных температур (свыше 120С), проведены дополнительные исследования по определению зависимости ."(Т) методом автоматизированного эксперимента. Схема экспериментальной установки показана на рис. 2.5.
Образец материала в виде пластины размером 42x35x2,2 мм (позиция I на рис. 2.5) помещали (зажимали) между электродами 2 плоскопараллельного рабочего конденсатора, подключенного к ВЧ-генератору 3 (в этих и последующих опытах использовался генератор ВЧГ2-4/27: колебательная мощность 4 кВт, частота тока ./==27,12 МГц). Межэлектродное расстояние составляло do=35 мм. Напряжение Uv на рабочем конденсаторе измерялось непрерывно с помощью кило вольтметра 4—1. Температура образца контролировалась также непрерывно, причем дистанционным образом - с помощью ИК-термометра 5-1 (модели М8866). Выходные сигналы от приборов 4—1 и 5—1 поступали на вход вычислительного блока 6, в качестве которого использовали персональный компьютер с аналого-цифровым преобразо вател ем.
Как известно [1], для нагрева образца материала с массой m от температуры Т\ до температурь! Т2 (на приращение температур AT) за время т требуется мощность Ри, которая при приложении электрического поля высокой частоты выделяется в материале за счет его диэлектрических потерь: тс (7 Р„ = 2фпе\Т)Е2У . (2.11) Ат Здесь: ср - теплоемкость материала; / — частота электрического поля; ( — абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума (воздуха); е" - фактор
Схема автоматизированной установки для определения фактора диэлектрических потерь из прямых экспериментов по высокочастотному нагреву: 1) образец, 2) электроды рабочего конденсатора, 3) ВЧ-генератор, 4-1) киловольтметр (ламповый вольтметр с емкостным делителем напряжения), 5-І) ИК-термометр, 6) вычислительный блок, 7) защитный экран диэлектрических потерь; Є — напряженность электрического поля в материале; V— объем, занимаемый материалом (образцом). Переходя к удельной (на м3 материала) мощности и учитывая, что электрическое поле внутри плоскопараллельного конденсатора однородно; С/. Е = —L, разрешим (2,11) относительно с". Получим: d Из выражения (2.12) следует, что для определения параметра г" достаточно непрерывно контролировать мгновенную температуру образца и мгновенное значение напряжения на рабочем конденсаторе. Вычислительный блок 6 (рис. 2.5), используя непрерывно поступающую в ходе эксперимента информацию (сигналы Up(x) и Т(х)), выполняет расчет фактора диэлектрических потерь по формуле (2.12). В числе других исходных данных учитывалась зависимость теплоемкости полиамида от температуры [21 ].
Полученная с помощью описанной методики зависимость є"(Г) построена на рис. 2.6 [66]. Там лее приведена зависимость Е"(Г), полученная методом измерений на куметре.
Можно видеть, что в области невысоких температур значения фактора диэлектрических потерь, найденные различными методами, близки друг к другу. Более того, сначала значения с", полученные методом ЭФ-измерений, превышают значения а", полученные из непосредственных экспериментов по высокочастотному нагреву. В диапазоне 20 50С фактор диэлектрических потерь мал и слабо зависит от температуры, что можно объяснить низкой электрической проводимостью полиамида.
Интенсивность процесса сварки и распределение температуры в толще материала
В главе 1 отмечалось, что известные математические модели высокочастотной сварки термопластов и полученные на их основе решения не учитывают изменение мощности внутренних источников тепла в ходе процесса. Между тем для всех термопластов температурная зависимость фактора диэлектрических потерь весьма существенна; для полиамидов же эта зависимость имеет, как показано выше, весьма сложный вид (рис. 2.6), что приводит к значительному изменению мощности в течение цикла сварки.
Кроме того, в случае сварки полиамидов необходимо учитывать резкую зависимость теплоемкости от температуры во всем интервале рабочих температур [21].
При математическом моделировании процесса будем рассматривать нагрев двух наложенных друг на друга листов материала бесконечной длины и ширины в высокочастотном электрическом поле рабочего конденсатора — рис. 3.1. Сформулируем основные физические представления о процессе и необходимые допущения.
Положим, что сварка осуществляется в однородном электрическом поле (плоскопараллельный конденсатор). Будем считать также, что температура электродов в течение цикла сварки постоянна (в действительности, эта температура за время сварочного цикла изменяется на 3-4) и что коэффициент теплопроводности свариваемого материала остается неизменным [21]. Теплообмен открытой поверхности материала с окружающей средой можно также считать незначительным.
Направим ось х перпендикулярно электродам - рис. 3.1. Тогда уравнение нестационарной теплопроводности, описывающее одномерное температурное поле в выбранной системе при внутренних источниках тепла, можно получить в виде:
Здесь Т - локальная: температура материала; Г, - температура электрода рабочего конденсатора; I - полутолщина материала (толщина свариваемой детали); л - координата (текущая толщина); х - 0 - свариваемая поверхность (шов): Т ш(т)=Г(т,0); ср, р, Л-соответственно удельная теплоемкость, плотность и коэффициент теплопроводности материала.
Входящая в уравнение (3.1) мгновенная мощность р(х) определяется непосредственными измерениями из объекта.
При математическом моделировании процесса необходимо учесть возможный предварительный разогрев материала от горячего электрода, поскольку на загрузку свариваемых деталей в оснастку оператор затрачивает некоторое время т.)р (как правило, т]гр не превышает 5с).
Таким образом, при 0 т т.ф р(т) 0 (ВЧ-нагрев отсутствует), и уравнение (З.І) решается аналитически: Уравнения (3.1), (3.2) математической модели решались численно -методом конечных разностей [72]. Программа и примеры расчета приведены в Приложении 2. Проанализируем полученные результаты.
На рис. 3.2 и 3.3 приведены кривые ГМ(т), полученные расчетным путем при различных температурах электрода 7\. Увеличение напряжения на рабочем конденсаторе (напряженности поля в материале) закономерно приводит к значительному сокращению продолжительности сварки, поскольку мощность/? зависит от напряженности поля па в квадрате. Менее резко, но все же весьма заметно, па интенсивность сварки влияет температура Г,. Так, например, при увеличении температуры электрода с 20С до 80С в режиме с/р 400В (,а=1,14 кВ/см) время сварки сокращается почти в три раза (рис. 3.2).
Алгоритм управления процессом высокочастотной сварки корпусов аккумуляторов и аккумуляторных батарей
Задачами управления процессом высокочастотной сварки являются определение момента переключения и переключение управляющего напряжения Еуцр от значения у„рь соответствующего форсированному режиму нагрева (ВЧ-нагреву при максимально возможной напряженности электрического поля или, иначе, максимальному напряжению на рабочем конденсаторе Uv\ С/0бщі). в значение Еупрг, соответствующее пониженному значению напряженности поля (пониженному значению напряжения на рабочем конденсаторе Up2 ио5и1г), а также автоматическое отключение ВЧ нагрева в момент достижения в сварном соединении температуры 7 . Момент переключения управляющих напряжений, согласно предложенному в параграфе 3.3 способу управления, определяется по первой критической температуре — температуре, соответствующей первому максимуму диэлектрических потерь: 7,ш(т)=Г ш=144С. Алгоритм управления разработан в соответствии с перечисленными задачами и представлен на рис.4.1.
После ввода исходных данных в вычислительные блоки, загрузки пресса технологической оснасткой с установленным в ней корпусом аккумулятора (или аккумуляторной батареи), подачи давления в блок привода прижимной плиты пресса - операций, выполняемых оператором, значение Т3 автоматически вводится в вычислительный блок 2 (здесь и далее разделение на вычислительные блоки является условным и предпринято лишь с целью пояснения последовательности выполняемых расчетных операций). Производится расчет температурного поля в материале 7(т, х) при x3rp=const и р=0 по формуле (3.3), т.е. учитывается влияние возможного предварительного подогрева материала от горячей оснастки за время загрузки тзгр. По окончании этого расчета измеренное значение Тэ автоматически вводится в микропроцессорный контроллер и автоматически устанавливается управляющее напряжение ynpi, соответствующее повышенному (максимально допустимому) значению напряжения на рабочем конденсаторе Up-Upi. В микроконтроллере происходит сравнение значения Тэ с заданным значением 7V=40C (TY-критическое значение температуры электрода в режиме /р=600 В, выше которого наблюдается деформация свариваемой детали). Если температура электрода превышает заданную (7 7 то на первом входе элемента И появляется сигнал логическая " 1".
При появлении напряжения Еупр\ автоматически включается режим НАГРЕВ ВЧ-генератора с одновременным запуском таймера. Начиная с этого .момента автоматически запускаются вычислительные операции, выполняемые блоком 1. Вычислительный блок 1, используя информацию о мгновенных параметрах /ао(т) и С/ДОб(т)5 рассчитывает мгновенную мощность р(т). При поступлении мощности р(г) в блок 2 последний рассчитывает мгновенную температуру в сварном соединении Гш(т) по уравнениям (3.1), (3.2). Полученное значение поступает в микроконтроллер, где производится параллельное сравнение текущей величины Гш(т) с двумя заданными значениями температуры Г ш и Гтек. В момент, когда Гш = Т ш, на втором входе элемента И появляется сигнал логическая "1". Тогда по сигналу с выхода элемента И происходит автоматическое переключение управляющего напряжения -величина Еупрі ступенчато изменяется до значения Е , соответствующего уменьшенному значению напряжения на рабочем конденсаторе иощ2 UP2- Тем временем операции, осуществляемые вычислительными блоками 1 и 2, продолжаются. В момент достижения в сварном шве температуры текучести (Гш = Ткк) НАГРЕВ генератора автоматически отключается. Тогда автоматически выключается таймер и запускается реле времени РВ на время выдержки тВЫд изделия под давлением с целью охлаждения. По истечении на реле РВ времени выдержки давление с прижимной плиты пресса автоматически снимается и оператор извлекает из пресса технологическую оснастку с готовым (сваренным) изделием.
Если температура электрода Гэ не превышает Г Э) то на первый вход элемента И поступает сигнал логического нуля. Соответственно на выходе элемента И также будет присутствовать сигнал логического нуля, и управляющее напряжение останется прежним: Еупр= упрі.
Похожие диссертации на Автоматизированная система управления процессом высокочастотной сварки изделий из полиамида
