Введение к работе
Современный этап развития промышленности характеризуется совершенствованием технологических процессов (ТП) и внедрением высокоэффективных технологий. Использование лазерного излучения в машинострое-ний в качестве рабочего инструмента непрерывно расширяется. Это обусловлено широкими возможностями лазерных технологических комплексов (ЛТК), позволяющих производить сварку, резку, поверхностное упрочнение металлов и т.д.[1,2,3]
Для получения неразъемных соединений в промышленности применяется сварка. В качестве материалов ответственных изделий чаще всего используются тугоплавкие металлы, как в чистом виде, в виде сплавов, так и в виде легирующих добавок. Поэтому с целью обеспечения высоких показателей качества при производстве ответственных деталей применяется электронно-лучевая сварка. При всех ее достоинствах она обладает рядом существенных недостатков. Основным нз них является необходимость обеспечения вакуума в зоне сварки.
Для сварки применяется также лазерное излучение (ЛИ). В отличие от электронно-лучевой сварки, оно не требует обеспечения вакуума, В настоящий момент его применение как высокоэффективного технологического инструмента сдерживается неудовлетворительной точностью систем автоматического управления (САУ) ЛТК, что обусловлено низкой информативностью параметров, характеризующих физико-химические свойства процесса в зоне обработки. [4,5,6,7]
Исследования, проведенные в диссертационной работе, и анализ состояния лазерной сварки показали, что конечный результат ТП имеет большой разброс значений параметров, зависящий от многих факторов, в том числе и от случайных внешних воздействий, приводящих систему в неустойчивое состояние.
Автоматизация ЛТК сварки деталей из тугоплавких и химически высоко активных металлов, позволяющая стабилизировать заданные показатели качества сварного шва (микротвердость, глубина шва, отсутствие пор, непроплавов, раковин и т.д,) требует применения новых подходов к управлению процессом сварки. Одним из важнейших преимуществ лазерного излучения, является широкий диапазон изменения его параметров, что обеспечи-вает высокую эффективность сварки. [6,7Д0]
Исследования различных вариантов решения этой проблемы показывают, что наиболее перспективным направлением является комплексный подход, включающий: создание САПР технологии лазерной обработки металлов; синтез САУ ЛТК, предполагающий повышение точности и достоверности контроля процессов в зоне взаимодействия лазерного излучения с металлом и разработку новых методов обработки информативных параметров.
Поэтому целью работы является повышение качества лазерной сварки путем эффективного управления ЛТК за счет увеличения точности измерения и преобразования информативных параметров ТП.
Для повышения точностных характеристик ТП сварки необходимо рассматривать ЛТК как совокупность взаимодействующих звеньев с оценкой степени влияния нестабильности их параметров на качество ТП.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие научные задачи:
- выявлены новые факторы, влияющие на стабильность показателей качества ТП лазерной сварки, путем исследования результатов металлографического анализа образцов из конструкционных материалов;
- разработан способ управления положением фокуса лазерного излучения относительно сварного шва;
- разработаны методы минимизации влияния изменения передаточной функции тракта обработки информации;
- разработана САУ ТП лазерной сварки на основе информативного параметра из зоны обработки, измеряемого в режиме реального времени;
- реализована и исследована САУ ЛТК с оптимизацией показателей качества управления. В первой главе рассмотрены предпосылки и необходимость иссле-дований поставленной задачи, сформулированы цели, дана характеристика проблемы и определены пути ее решения-Исследования, проведенные по лазерной сварке конструкционных материалов ответственных деталей, показывают нестабильность показателей качества технологического процесса. Существенное значение в этом играют параметры ЛТК, Здесь необходимо рассматривать ЛТК как совокупность взаимодействующих между собой звеньев сложной системы. Рассматривая зависимость их параметров от многочисленных факторов, изменяющихся во времени, можно утверждать, что путь построения САУ ЛТК по их стабилизации практически нереализуем. [2,3,4]
Анализ взаимосвязи параметров ЛТК и показателей качества ТП показал, что параметры лазерного излучения наиболее сильно влияют на температуру, а от нее зависят все показатели качества процесса сварки.
На основе экспериментальных и информационных исследований лазерной сварки разработана структурная схема САУ ЛТК. Установление функциональных связей между характеристиками материалов и технологическими параметрами ЛТК, базирующихся на известных закономерностях изменения параметров ТП и показателей качества шва с выделением основных возмущающих факторов на отдельных этапах комплексного решения задачи, позволяет выявить новые подходы в достижении цели - повышения качества сварки,
В этих условиях актуальной является задача синтеза и исследования САУ ЛТК, способной повысить эффективность ТП. Оптимизация показателей качества САУ осуществляется путём нахождения максимально возможного значения запаса устойчивости системы при заданномхоотношении сигнал/шум за счёт минимизации влияния паразитных реактивных составляющих комплексного коэффициента передачи тракта преобразования.
Известно, что на качество сварного шва в первую очередь влияют энергетические параметры процесса сварки и их стабильность. Это вызывает не обходимость поддержания требуемых параметров ТП, в частности, температуры в сварочной ванне, а также положение фокуса1 ЛИ относительно стыка заготовок. Для качественного управления ЛТК необходимо обеспечить преобразование принимаемой информации от датчиков с минимальной погрешностью, что требует оптимального выбора параметров звеньев системы управления ЛТК.
Во второй главе рассматриваются вопросы, связанные с разработкой основных звеньев САУ ЛТК7 определяющих ее показатели качества.
Для обеспечения качества лазерной сварки необходимо контролировать не только энергетические параметры излучения, но и пространственное распределение плотности мощности. Это обеспечивается контролем положения фокусного пятна. Данная задача решается с помощью двух площадочного фотоприемника, жестко связанного с оптической системой ЛТК.
Тепловое излучение от обеих частей свариваемой детали попадает на двух площадочный фотоприемник. Смещение оптической системы и жестко связанного фотоприемника от траектории стыка вызывает изменение соотношения интенсивностей световых потоков, падающих на площадки фотоприемника. По значению разностного сигнала МПС управляет положением отклоняющего зеркала, возвращая пятно нагрева лазерного луча на заданную траекторию. Изменение положения луча относительно шва осуществляется пьезоприводом отклоняющего зеркала. В работе разработана и исследована его математическая модель.
Результаты исследований процесса сварки показывают, что температура зоны взаимодействия ЛИ с металлами определяет качество ТП и связана с параметрами Стокса собственного теплового излучения металла. Поэтому основным критерием оценки качества параметров ТП выступает температура зоны взаимодействия лазерного излучения с металлом. Сложность измерения температуры обусловлена прохождением собственного теплового излучения металла через турбулентные слои плазменного факела. Метод измерения температуры в зоне взаимодействия ЛИ с металлом основан на анализе спектрального распределения теплового излучения и последующей поляризационной фильтрации собственного излучения металлов- Результаты теоретических расчетов достаточно хорошо согласуются с результатами эксперимента. Проведенные исследования показали, что для снижения разброса показателей качества до 5-7% допустимая погрешность измерения температуры не должна превышать 3%, что обеспечивается с помощью предложенного метода,
В третьей главе рассматривается анализ и синтез САУ ЛТК, которая состоит из совокупности звеньев системы, содержащую как источник ЛИ, оптический тракт транспортировки, свариваемую деталь и т. д., так и МПС с регуляторами выходных параметров ТП. Выбор и расчет режимов лазерной сварки детали является составной частью задачи оптимизации системы управления ЛТК. На САУ ЛТК действуют возмущающие воздействия различной физической природы и, в конечном итоге, влияют на регулируемые параметры зоныеварки, отклоняя их от заданных по технологии значений.
Рассматриваемая САУ имеет сложную структуру с большим количеством обратных связей и является нелинейной- Поэтому при обосновании выбора математической модели САУ были приняты определенные условия и допущения, при которых данная система является линейной. Все последующие расчеты и исследования производились для линеаризованной САУ.
В соответствии с принятыми допущениями составлены математические модели подсистем (подсистема регулировки температуры зоны сварки, подсистема регулировки положения фокуса относительно шва, подсистема программного управления перемещением ЛИ относительно сварного шва). Динамические процессы в элементах, входящих в нее, описываются дифференциальными уравнениями, на основании которых рассчитаны передаточные функции и, используя пакет прикладных программ MATLAB v6.1, получены переходные и частотные характеристики, определяющие качество САУ ЛТК.
В реальной системе, охваченной обратной связью, всегда имеются реак 9 тивные элементы, накапливающие энергию. Реактивные элементы создают дополнительные фазовые сдвиги, в результате создаются условия, при которых возникает паразитная генерация. Это обстоятельство во многих случаях существенно ограничивает эффективность применения обратной связи, так как при больших значениях произведения коэффициентов усиления и обратной связи для устранения паразитной генерации требуются корректирующие звенья. Однако часто оказывается, что введение в систему новых элементов приводит лишь к сдвигу частоты паразитной генерации в область очень низких или очень высоких частот.
Итак, применение обратной связи тесно связано с проблемой обеспечения устойчивости звеньев.
Вектором управляемых параметров являются постоянные времени и коэффициенты передачи. При решении определяются такие параметры системы, которые обеспечивают оптимальное время реакции подсистемы при достижении заданной точности.
Анализ качества САУ ЛТК показал, что запас устойчивости контура регулировки положения фокуса недостаточен. Для его увеличения необходимо снизить коэффициент усиления в цепи обратной связи при заданном соотношении сигнал/шум за счет снижения влияния изменения комплексного коэф-фициента передачи тракта преобразования измеряемого параметра,
В четвертой главе проводится анализ параметров трактов преобразования информации САУ ЛТК, влияющих на точностные характеристики системы.
Схема преобразования информации от датчика положения фокуса ЛИ относительно сварного шва представляет собой последовательное соединение мостовой схемы, усилителя и эквивалентной схемы замещения тракта преобразования, нагруженного на входное сопротивление АЦП. Основную долю погрешности преобразования вносят входные цели, которые и определяют качество управления. Разработан способ повышения точности преобразования информации- Особенностью способа является существенное снижение погрешности, вносимой изменениями комплексного коэффициента передачи звеньев САУ, их нестабильностью, а также фазовыми сдвигами опорных и информационных векторов сигналов в тракте преобразования.
На основе этого метода реализовано устройство для измерения параметров пассивного комплексного четырехэлементного двухполюсника.
Проведенные экспериментальные исследования сварки образцов показывают высокую стабильность качества сварного шва.
На основании проведенных расчетов определены показатели качества различных систем.
В заключении работы приведена общая характеристика работы и основные выводы ло результатам диссертационной работы.
Положения, выносимые на защиту и обладающие научной новизной:
- повышение качества управления ЛТК сварки за счет введения обратных связей в САУ по температуре и положению фокуса ЛИ;
- косвенный метод измерения температуры металла в зоне воздействия ЛИ, позволяющий повысить точность за счет анализа спектрального распределения собственного теплового излучения металла (заявка на патент РФ № 2003130610 от 15.10.2003);
метод повышения точности обработки информационного сигнала датчика положения фокуса лазерного излучения относительно сварного шва путем параметрической оптимизации тракта преобразования (АС №,№1167531,1244598,970239,741188); метод уменьшения влияния изменения параметров передаточной функции звеньев преобразования информации на управляющие воздействия, основанный на преобразовании результатов совокупного измерения образцового и информационного сигнала, характеризующего текущее состояние управляемого объекта (А.С. №, № 900193,957118), Практическая полезность работы:
- разработан способ стабилизации показателей качества ТП лазерной сварки;
- разработан способ снижения влияния изменения комплексных составляющих тракта преобразования и устройства компенсации изменения комплексной передаточной функции тракта преобразования (А.С. 1026080,1785071,830879);
- разработаны устройства измерения параметров комплексного двухполюсника, характеризующего схему замещения измерительной цепи и тракта преобразования (А.С. №, № 849101, 957117, 1057774, 1095098).
Выражаю благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Хайруллину Асфандияру Халиулловичу, а также научному консультанту кандидату технических наук, доценту Звездину Валерию Васильевичу за помощь, оказанную при написании диссертационной работы.
