Введение к работе
Актуальность работы. Автоматизация технологических процессов является определяющим фактором повышения производительности труда и обеспечения высокого качества выпускаемой продукции. Технологические сварочные процессы (ТСП) занимают ведущее место во многих отраслях промышленности. Комплексная автоматизация ТСП сдерживается рядом обстоятельств, одним из которых является неудовлетворительная точность систем автоматического управления (САУ) положением рабочего инструмента (РИ) относительно стыка свариваемых деталей. Это обусловливает, во-первых, некоторую вероятность неустранимого брака, во-вторых, значительную вероятность получения некачественных соединений, требующих "ремонта", что ведет к удлинению технологической цепи и увеличению производственного цикла. Кроме того, САУ ТСП часто функционируют в составе дорогостоящего оборудования, обусловленного уникальностью и стоимостью свариваемых конструкций, и вопросы обеспечения качества при этом нередко переходят в серьезные экономические проблемы.
Автоматизации и управлению ТСП посвящены работы многих отечественных и зарубежных коллективов, таких как МЭИ, МГТУ им. Н. Э. Баумана, ЦНИИТМАШ, НПО «Техномаш», НИКИМТ, Институт сварки России, Санкт-Петербургский ГПУ, Тульский государственный университет, СибГАУ им. М.Ф. Решетнева, ИЭС им. Е.О. Патона, «Сиаки», «Гамильтон Стандарт», и др. Заметный вклад в этом направлении внесли: Ш.А. Вайнер, Н.С. Львов, Э.А. Гладков, В.Г. Котова, Г.А. Спыну, Л.К. Дедков, В.В. Смирнов, P.M. Широков-ский, М.Л. Лифшиц, Д.Д. Никифоров, Б.Н. Бадьянов, В.М. Панарин, Ю.А. Па-ченцев, В.Д. Лаптенок и многие другие специалисты.
Со времени промышленного внедрения в производство сварочных технологий накоплен значительный опыт успешного применения различных САУ для автоматизации ТСП (системы автоматического управления энергетическими параметрами, траекторией движения сварочного инструмента и др.). В то же время задачи, обусловленные вопросами обеспечения требуемой точности систем автоматического управления положением РИ до настоящего времени име-
ют ограниченные решения и являются предметом настоящей работы.
Цель работы: Повышение точности системы автоматического управления положением рабочего инструмента на основе контроля электромагнитных параметров технологического процесса сварки.
Основные задачи:
анализ факторов, влияющих на точность САУ в условиях технологического процесса сварки;
анализ информационных сигналов, являющихся входными для САУ и определяющих координаты объекта управления (РИ) в технологическом процессе сварки;
определение структуры и схемотехнических решений САУ на основе выбора информационной составляющей, оптимальной по критерию точности;
испытания САУ и определение фактической точности в условиях технологического процесса сварки.
Методы исследования. Экспериментальные исследования проводились натурным макетированием на промышленной сварочной установке. Теоретические исследования осуществлены математическим моделированием электромагнитных ситуаций в области объекта управления путем численного решения уравнений Максвелла методом конечных элементов. При решении задачи синтеза САУ использовались методы теории автоматического управления.
Научная новизна:
Разработан новый способ определения положения РИ, основанный на идентификации магнитного поля сварочного тока и координат рабочего инструмента, позволяющий контролировать фактическое положение электрода относительно стыка и корректировать его с помощью системы автоматического управления с повышенной точностью в условиях технологического процесса сварки.
Разработана математическая модель системы управления положением РИ в применении к феррозондовому датчику магнитного поля, обосновываю-
щая выбор функционального и аппаратного состава системы и оценку ее по критерию точности.
Установлено влияние на точность системы управления положением рабочего инструмента технологических факторов процесса, определяемое по магнитному полю сварочного тока и предполагающее способ компенсации этого влияния, позволяющий реализовать систему управления, инвариантную к технологическим помехам.
Предложены оригинальные схемотехнические решения системы автоматического управления положением рабочего инструмента, повышающие точность и помехозащищенность системы управления при минимальных аппаратных затратах.
Практическая ценность. Предложенный способ повышения точности управления и реализующая его система расширяют возможности автоматизации технологических сварочных процессов.
Теоретические результаты доведены до простых инженерных рекомендаций, позволяющих производить и эксплуатировать устройства управления, удовлетворяющие требуемой точности в составе технологических сварочных комплексов.
Достоверность результатов физического и математического моделирования электромагнитных процессов в сварочном контуре, а также адекватность модели датчика, как элемента системы, подтверждается сравнением с экспериментальными характеристиками разработанной системы автоматического управления положением рабочего инструмента.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы при разработке системы автоматического управления положением электрода в составе технологических сварочных установок АДС-1000, ЭЛУ-9Б.
Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались: на региональных научно-технических конференциях: «Материалы, технологии, конструкции» (Красноярск, 1995-1998 г.г.); Всесоюзной конференции «Про-
грессивные процессы сварки в машиностроении» (Красноярск, 1991 г.); Российской конференции «Новые материалы и технологии» (Москва, МГАТУ, 1995 г.); международных конференциях: «Авангардные технологии, оборудование, инструмент и компьютеризация производства оптико-электронных приборов в машиностроении» (Новосибирск, Сибирская государственная геодезическая академия, 1995 г.); «Лучевые технологии и применение лазеров» (Санкт-Петербург, СПб ГПУ, 2006, 2009 гг.); «Технология и оборудование электроннолучевой сварки» (Санкт-Петербург, СПб ГПУ, 2008 г.); «Электронно-лучевые технологии» (Варна, институт электроники Болгарской Академии наук); «Ре-шетневские чтения» (Красноярск, СибГАУ им. акад. М.Ф. Решетнева, 2009 г.); научно-практических семинарах кафедр: «Системы автоматического управления» и «Информационные измерительные системы» СибГАУ им. акад. М.Ф. Решетнева (Красноярск, 2008 г.); «Оборудование и технология сварочного производства» Сибирского федерального университета (Красноярск, 2008 г.); Публикации. По теме диссертации опубликовано 49 печатных работ (в том числе 8 авторских свидетельств на изобретения).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и библиографического списка, изложенных на 162 страницах текста с 82 иллюстрациями.
