Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Автоматическое управление процессом электронно-лучевой сварки 22
1.1 Анализ методов и средств позиционирования электронного пучка по стыку 22
1.1.1 Автоматическое ведение пучка по стыку с помощью механических, электромагнитных и оптических датчиков стыка 24
1.1.2 Системы автоматического позиционирования с вторично-эмиссионными датчиками стыка 26
1.1.3 Системы автоматического позиционирования с рентгеновскими датчиками стыка 33
1.1.4 Методы выделения сигнала от стыка 39
1.1.5 Автоматическое позиционирование при микропроцессорном управлении 47
1.2 Контроль плотности распределения энергии электронного пучка 49
1.2.1 Методы измерения плотности распределения энергии в поперечном сечении пучка 50
1.2.2 Факторы, влияющие на распределение плотности энергии попоперечному сечению электронного пучка 68
1.3 Выводы и постановка задачи 73
ГЛАВА 2 Контроль положения стыка по рентгеновскому излучению с поверхности свариваемых деталей при электронно-лучевой сварке 76
2.1 Особенности формирования сигнала от стыка по рентгеновскому излучению от поверхности свариваемых деталей 77
2.2 Расположение датчика в плоскости, перпендикулярной стыку 82
2.3 Расположение датчика стыка в плоскости стыка 93
2.4 Математическая модель коллимированного рентгеновского датчика стыка 107
2.4.1 Формирование сигнала от стыка на коллимированном РДС при пересечении электронным пучком стыка вдоль проекции коллимационного отверстия 108
2.4.2 Формирование сигнала от стыка на коллимированном РДС с разверткой электронного пучка в виде растра 116
2.5 Выводы 124
ГЛАВА 3 Контроль плотности распределения энергии по сечению электронного пучка 128
3.1 Математическая модель рентгеновского датчика для контроля плотности распределения энергии электронного пучка 129
3.2 Анализ формы распределения плотности энергии в поперечном сечении электронного пучка при электронно-лучевой сварке 134
3.3 Определение ширины плотности распределения энергии электронного пучка по его сечению при электронно-лучевой сварке 141
3.4 Экспериментальное исследование геометрических параметров электронного пучка 149
3.5 Выводы 162
ГЛАВА 4 Адаптивное управление процессом электронно лучевой сварки 163
4.1 Адаптивная система управления процессом ЭЛС 164
4.2 Анализ помехоустойчивость датчика стыка 176
4.2.1 Оценка помехоустойчивости сигнала датчика стыка 177
4.2.2 Повышение помехоустойчивости сигнала датчика методом синхронного накопления 183
4.2.3 Повышение помехоустойчивости сигнала датчика методом фильтрации 19 *
4.3 Анализ эффективности и достоверности сигнала от стыка по форме сигнала 195
4.4 Анализ закономерности распределения плотности вероятности отсчетов координаты стыка 217
4.5 Определение координаты стыка в процессе адаптивного наведения на , стык 234
4.6 Контроль ширины зазора стыка деталей и ширины канала проплавлення по рентгеновскому излучению с поверхности свариваемых деталей 239
4.6.1 Контроль ширины зазора стыка деталей 239
4.6.2 Контроль ширины канала проплавлення 243
4.7 Наведение на стык в условиях действия на луч магнитных полей 248
4.8 Выводы 253
ГЛАВА 5 Вопросы технической реализации средств автоматического управления ЭЛС 255
5.1 Реализация слежения за стыком в процессе сварки 255
5.1.1 Функциональная схема системы слежения за стыком и диаметром электронного луча 256
5.1.2 Функциональная схема и принцип действия устройства автоматического регулирования усиления (АРУ) сигнала от стыка 262
5.1.3 Алгоритмы функционирования системы 265
5.1.4 Конструкция 271
5.1.5 Испытания системы 274
5.2 Реализация системы контроля геометрии электронного пучка 277
5.2.1 Функциональная схема системы контроля геометрии электронного пучка 286
5.2.2 Конструктивное исполнение системы 293
5.3 Техническая реализация автоматизированной системы управления электронно-лучевой сваркой (АСУ ЭЛС) 293
5.4 Выводы 301
Заключение 305
Список использованных источников 308
Приложение 328
- Системы автоматического позиционирования с вторично-эмиссионными датчиками стыка
- Методы выделения сигнала от стыка
- Расположение датчика стыка в плоскости стыка
- Формирование сигнала от стыка на коллимированном РДС при пересечении электронным пучком стыка вдоль проекции коллимационного отверстия
Введение к работе
В конце 50-х годов XX столетия в технологии сварки наряду с традиционными источниками энергии и прежде всего с свободногорящей электрической дугой появились новые, так называемые высококонцентрированные ис^ точники энергии: сварка электронным лучом (~ 1956 г.), плазменно-дуговая сварка (-1958 г.), лазерная сварка (~ 1964 г.) и световая сварка (~ 1968 г.).
Если свободно-горящая сварочная электрическая дуга осуществляет плавление металлов поверхностно (отношение глубины расплавленной зоны к ее ширине меньше единицы), то высококонцентрированные источники энергии - кинжально (отношение глубины расплавленной зоны к ее ширине > 100).
Исследование концентрированных потоков энергии показало, что если источник энергии развивает удельную мощность > 10 - 10 Вт/см , то при преодолении некоторого порога удельной мощности резко изменяют закономерности перенесения тепла в нагреваемом объекте. В результате образуются соединения с глубоким проплавлением и узкой зоной нагрева при высокой скорости сварки, низком тепловложении и минимальной деформации в процессе сварки, что исключает необходимость правки сварного изделия.
Из высококонцентрированных источников энергии наиболее широкое распространение получили лучевые источники: электронный луч, лазерный луч и световой луч.
Из них наибольшее внимание уделяется электронному лучу. Опыт прошлого века показал, что независимо от колебаний мировой и национальной экономик, высокую стоимость оборудования для электронно-лучевой сварки (ЭЛС), рынок сварочной техники сохранил положительную динамику, а инвестиции и обновление сварочного производства, как правило, окупались и приносили ожидаемые технико-экономические результаты. Высокие темпы роста рынка оборудования для ЭЛС обусловлены неизменным интересом к этому способу сварки со стороны автомобильной и аэрокосмической промышленности, а также необходимостью модернизации работающего оборудования.
Значительные достижения в различных направлениях ЭЛС достигнуты благодаря разработке принципов автоматического управления процессом сварки. Установки для ЭЛС как объект автоматизации представляет собой сложный комплекс, в который входят высокопроизводительное вакуумное и мощное энергетическое оборудование. Высокая скорость сварки и ограниченные возможности визуального наблюдения создают трудности оператору даже высокой квалификации в управлении процессом сварки. Поэтому стремление к максимальной автоматизации процесса закономерно. Работы по автоматизации ЭЛС начались в 60 г. прошлого столетия с создания средств регулирования отдельных параметров процесса и ведутся в настоящее время в направлении комплексной автоматизации ЭЛС с применением средств вычислительной техники. Решению этих вопросов посвящены исследования многих отечественных и зарубежных авторов (Зуев И.В., Башенко В.В., Лаптенок В.Д., Лившиц М.Л., Виноградов В.А., Назаренко O.K., Кривенков В.А., Беленький В.Я., Куцан Ю.Г., Mauer К.О., Нага К., Sasaki S., Anderl Р. и др.).
В настоящее время проблемы управления манипуляторами, вакуумным оборудованием, источниками питания в основном решены. Нерешенными являются задачи управления процессом ЭЛС. В первую очередь это относиться к проблемам наведения электронного луча на стык деталей, контролю и стабилизации плотности распределения энергии электронного луча по его сечению. Одной из главных проблем при создании систем управления ЭЛС является низкая помехозащищенность датчиков измерительных устройств и всей системы в целом. Поэтому актуальной является задача исследования и разработки новых устройств контроля процесса ЭЛС, отвечающих требованиям помехоустойчивости, и создание на основе этих средств контроля современных систем управления процессом ЭЛС, позволяющих повысить воспроизводимость технологического процесса и качества сварных соединений.
Основная идея работы заключается в использовании для управления процессом электронно-лучевой сварки информационных свойств плотности распределения энергии электронного пучка, позволяющих в отличии от существующих методов управления производить адаптивное управление режимами ЭЛС, что позволяет обеспечить необходимое качество технологического процесса и его повторяемость.
Целью диссертационной работы является создание новых средств управления процессом электронно-лучевой сварки, использующих рентгеновское излучение с поверхности свариваемых деталей для контроля плотности распределения энергии электронного пучка, позволяющих производить наведение электронного пучка на стык деталей; контролировать ширину стыка; ширину канала проплавлення; отвечающих требованиям помехоустойчивости и надежности функционирования.
Объектом исследования являются: методы и средства управления процессом электронно-лучевой сварки.
Предметом исследования являются: моделирование рентгеновских датчиков стыка; моделирование датчика плотности распределения энергии электронного пучка; методы и средства автоматического наведения электронного пучка на стык деталей; алгоритмы обработки сигналов датчика стыка, повышающие их достоверность; методы и средства контроля ширины стыкового соединения и ширины канала проплавлення; схемно-технические решения устройств слежения за стыком, диаметром электронного пучка и автоматизированной системы управления процессом электронно-лучевой сварки (АСУ ЭЛС).
Задачи исследования заключаются в том, чтобы математически обосновать способы контроля положения стыка свариваемого соединения по рентгеновскому излучению с поверхности деталей; математически обосновать способы контроля плотности распределения энергии по сечению электронного пучка по рентгеновскому излучению с поверхности деталей; исследовать аналитиче- ски и экспериментально формы кривых распределения плотности тока электронного пучка, разработать метод измерения диаметра электронного пучка, учитывающий форму кривой распределения плотности тока; разработать методику оценки помехоустойчивости сигнала датчика стыка и методы повышения помехоустойчивости; провести оценку эффективности информационных параметров сигнала от стыка и разработать методику анализа достоверности сигнала по форме сигнала; проанализировать закономерности изменений значений координат стыка на характерных стыках для систем позиционирования по стыку с предварительной записью программы траектории стыка и разработать методику уменьшения погрешности наведения; математически обосновать способ контроля ширины зазора стыка деталей и ширины канала проплавлення по рентгеновскому излучению с поверхности свариваемых деталей; разработать алгоритм адаптивного управления процессом ЭЛС, который позволяет учитывать изменение технологических параметров в процессе сварки; технически реализовать устройства контроля и управления положением стыка и фокуса, плотности распределения энергии луча по его сечению; провести их испытания и внедрение в производство.
Методы исследований. Результаты и выводы, представленные в диссертации обоснованы математически с использованием аппарата теории функций, дифференциального и интегрального исчисления, математической статистики, теории вероятностей, теории информации, теории принятия решений, экспериментальными исследованиями, моделированием на ЭВМ.
Достоверность научных результатов подтверждена корректным обоснованием и анализом методов решения поставленных задач, результатами моделирования на ЭВМ, а также экспериментальными исследованиями, выполненными при различных параметрах технологического процесса ЭЛС.
Основные результаты,
Получены математические зависимости, описывающие статические характеристики рентгеновского датчика стыка (РДС) с учетом его пространственной ориентации относительно стыка, позволяющие определять координату стыка по рентгеновскому излучению с поверхности свариваемых деталей.
Предложен способ повышения глубины модуляции сигнала от стыка специально ориентированной коллимирующей насадкой на РДС. Получены математические зависимости, позволяющие определить координату стыка по сигналу коллимированного РДС.
Предложен бесконтактный метод контроля плотности распределения энергии по сечению электронного пучка, основанный на контроле рентгеновского излучения с поверхности свариваемых деталей коллимированным рентгеновским датчиком (датчиком геометрии пучка).
Проведены аналитические и экспериментальные исследования формы кривых распределения плотности тока электронного пучка. Получена математическая модель, с помощью которой описываются встречающиеся на практике распределения и определены информационные параметры датчика геометрии пучка, позволяющие однозначно определять форму кривой распределения энергии пучка.
Предложен метод вычисления диаметра электронного пучка, учитывающий форму кривой распределения плотности тока пучка, на основе энтропийных оценок зондовой характеристики датчика геометрии пучка.
Предложен метод адаптивного управления процессом ЭЛС, который позволяет учитывать изменения параметров процесса: плотности распределения тока пучка; ширины зазора стыка; ширины канала проплавлення; ошибку наведения, вызванную действием магнитных полей, неточным воспроизведением координаты стыка по программе перемещения пучка.
Предложен метод оценки помехоустойчивости сигнала датчика стыка, на основе которого выполнен экспериментально-теоретический анализ помехо- устойчивости при обработке сигнала от стыка методом синхронного накопления и методом фильтрации.
Произведена оценка эффективности информационных параметров сигнала от стыка по форме сигнала от стыка.
Произведена оценка достоверности сигналов от стыка, полученных экспериментально с различным уровнем помех и при различных технологических режимах ЭЛС по форме сигнала от стыка.
Проведен анализ закономерностей распределения плотности вероятности отсчетов координаты стыка для кольцевых стыков, установлена зависимость между формой распределения и мощностью помехи, позволяющая оценить погрешность наведения на стык.
Предложен метод и устройство для контроля ширины зазора стыкового соединения и ширины канала проплавлення по рентгеновскому излучению с поверхности свариваемых деталей.
Предложен способ компенсации влияния магнитных полей на положение электронного пучка в процессе сварки.
Разработаны и внедрены в производство устройства слежения за стыком и диаметром электронного пучка, устройство контроля плотности распределения электронного пучка, автоматизированная система управления электронно-лучевой сваркой (АСУ ЭЛС).
Научная новизна работы состоит в следующем:
Разработана новая методология управления процессом ЭЛС, позволяющая за счет использования информационных свойств плотности распределения электронного пучка осуществлять адаптивное управление процессом, контролировать его параметры, оценивать достоверность и за счет этого повышать качество и воспроизводимость технологии;
Разработана аналитическая модель нового способа контроля положения стыка по рентгеновскому излучению с поверхности свариваемых деталей, обладающего высокой помехозащищенностью за счет обработки информации;
Разработана аналитическая модель нового способа контроля плотности распределения электронного пучка по рентгеновскому излучению с поверхности свариваемых деталей, позволяющего проводить измерения непосредственно в процессе сварки и обобщающего встречающиеся на практике законы рас-пределения;
Разработан новый метод управления технологическим процессом ЭЛС, в основу которого положен контроль диаметра электронного пучка, контроль формы кривой плотности распределения энергии пучка и их стабилизация, позволяющий повысить качество сварных соединений;
Предложен метод оценки эффективности информационных параметров сигнала от стыка и анализ его достоверности по форме распределения плотности тока электронного пучка;
Предложен и математически обоснован метод оценки погрешности наведения на стык по предварительно записанной траектории стыка, основанный на анализе закономерностей плотности вероятности отсчетов координаты стыка.
Значение для теории имеют: аналитическая модель датчика стыка, позволяющая определять координату стыка по рентгеновскому излучению с поверхности свариваемых деталей, учитывающая пространственную ориентацию датчика относительно стыка деталей и особенности конструкции в виде колли-мирующей насадки, повышающей глубину модуляции сигнала от стыка; аналитическая модель датчика плотности распределения тока электронного пучка на поверхности свариваемых деталей, обобщающая встречающиеся на практике законы распределения и создающая теоретическую основу для диагностики электронно-лучевой пушки и прогнозирования работоспособности электроннолучевой аппаратуры; проведенная классификация наиболее часто встречающихся законов распределений плотности тока электронного пучка и метод определения информационных параметров, позволяющих идентифицировать закон распределения; метод измерения диаметра электронного пучка, учитываю- щий форму кривой распределения плотности тока на основе энтропийных оценок ширины распределения; математическое обоснование метода оценки помехоустойчивости сигнала датчика стыка и доказанная эффективность применения методов синхронного накопления и укрупнения отсчетов для повышения помехоустойчивости сигнала датчика стыка; математическое обоснование метода оценки эффективности информационных параметров сигнала от стыка и анализ достоверности сигнала от стыка по форме распределения плотности тока электронного пучка; проведенный анализ закономерностей распределения плотности вероятности отсчетов координаты стыка, устанавливающий, что распределение плотности вероятности отсчетов значений координаты стыка для кольцевых стыков имеет вид арксинусоидального закона, а между формой распределения и мощностью помехи существует зависимость, позволяющая оценить погрешность наведения на стык.
Практическая значимость работы
1. Разработан комплекс аппаратных и программных средств, реализую щих функции управления: контроль и стабилизация плотности распределения энергии электронного пучка; слежения за стыком свариваемых деталей; режимами сварки.
2. Созданы оригинальные образцы систем управления ЭЛС: микропроцессорная система слежения за стыком при ЭЛС с рентгеновским датчиком стыка; микропроцессорная система контроля плотности распределения энергии электронного пучка и стабилизации его эффективного диаметра; автоматизированная система контроля плотности распределения энергии электронного пучка по его сечению при ЭЛС; - автоматизированная система управления электронно-лучевой сваркой (АСУ ЭЛС);
3. Разработана методология использования информационных параметров плотности распределения энергии электронного пучка для контроля процесса ЭЛС и проведения исследовательских работ по оптимизации технологии ЭЛС.
Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации.
Лично А.В. Мурыгиным получены следующие научные и практические результаты: получена математическая модель рентгеновского датчика стыка и рассчитаны его характеристики; получена математическая модель рентгеновского датчика плотности распределения электронного пучка, обобщающая встречающаяся на практике распределения; разработан метод управления технологическим процессом электроннолучевой сварки, в основу которого положен контроль диаметра электронного лучка, контроль формы кривой плотности распределения энергии пучка и их стабилизация, позволяющий повысить качество сварных соединений; выполнен экспериментально-теоретический анализ помехоустойчивости сигнала датчика стыка; предложен метод оценки эффективности информационных параметров сигнала от стыка и анализ достоверности сигнала от стыка по форме распределения плотности тока электронного пучка; предложен и математически обоснован метод оценки погрешности наведения электронного пучка на стык по предварительно записанной траектории стыка, основанной на анализе закономерностей плотности вероятности отсчетов координаты стыка; разработан метод управления технологическим процессом электроннолучевой сварки, в основу которого положен контроль ширины зазора стыкового соединения и ширины канала проплавлення по рентгеновскому излучению с поверхности свариваемых деталей; - проведена разработка, изготовление и внедрение образцов систем управления ЭЛС; - разработан способ компенсации влияния магнитных полей на точность позиционирования по стыку соединения.
Рекомендации по использованию результатов исследований
Результаты работы могут быть использованы при расчете и проектировании оборудования электронно-лучевой сварки научно-исследовательскими и проектными организациями, специализирующимися в создании комплексов иектронно-лучевой аппаратуры, а также в учебном процессе по специальностям "Технология и оборудование сварочного производства", "Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами".
Реализация работы
Разработанные системы управления ЭЛС внедрены на предприятии і'ГУП "Красмаш" г. Краснярск. Разработана конструкторская документация и организовано производство систем слежения по стыку при ЭЛС, микропроцессорных АСУ ЭЛС. Результаты работы внедрены в учебный процесс Сибирско-.-> государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева по специальности "Автоматизированные системы управления технологическими процессами".
Работа выполнена на кафедре информационных-управляющих систем ^ибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева г. Красноярск и в лаборатории Сибирского исследовательского центра электронно-лучевых технологий (СИЦЭЛТ) при Сибирском государственном аэрокосмическом университете имени академика М.Ф. Решетнева г. Красноярск.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в рамках:
IX Всесоюзной конференции "Электронно-лучевая сварка" (г. Москва, МДНТП, апрель 1986 г.)
II Всесоюзной конференции "Микропроцессорные системы" (г. Челябинск, ЧПИ, 22 - 24 сентября 1988 г.) X Всесоюзной конференции "Электронно-лучевая сварка" (г. Ленинград, ЛДНТП им. Ф.Э. Дзержинского, 22 - 24 ноября 1988 г.) XI Всесоюзной конференции "Электронно-лучевая сварка" (г. Николаев, 1 - 3 октября 1991 г.)
III Российско-китайского семинара по аэрокосмической технике (г. Дивно-горек, 21-26 марта 1994 г.)
Решетневских чтений: Всероссийской научно-практической конференции (г. Красноярск, САА, 10-12 ноября 1998 г.)
Международной конференции "Современные проблемы сварки и ресурса конструкций" (г. Киев, Украина, 24 - 27 ноября 2003 г.)
Координационного совещания специалистов в области производства электронно-лучевого оборудования (г. Ижевск, ОАО "НИТИ Прогресс", 21-26 июня 2003 г.)
Всероссийской научно-практической конференции "Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика, (г. Красноярск, ГУЦМиЗ, 2004 г.)
Решетневских чтений: VIII Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной 80-летию со дня рождения генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева. (г. Красноярск, СибГАУ, 11-12 ноября 2004 г.)
Решетневских чтений: IX Международной научной конференции, посвященной 45-летию Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева. (г. Красноярск, СибГАУ, 10-12 ноября 2005 г.)
Всероссийской науч. практ. конференции "Актуальные проблемы авиации и космонавтики" (г. Красноярск, СибГАУ, 4-9 апреля 2005 г.)
Научных семинарах кафедры "Информационно-управляющих систем" Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.ф. Решетнева, г. Красноярск.
На защиту выносятся:
Математическая модель датчика стыка, позволяющая определить координату стыка по рентгеновскому излучению с поверхности свариваемых деталей.
Математическая модель датчика плотности распределения энергии электронного пучка и его диаметра.
Результаты экспериментально-теоретического анализа помехоустойчивости сигнала датчика стыка.
Метод адаптивного управления процессом ЭЛС.
Структурные и функциональные схемы систем управления процессом ЭЛС, использующие информационные свойства плотности распределения энергии электронного пучка.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 38 работ, из которых 12 статей в периодических изданиях по списку ВАК, 1 - монография, 7 авторских свидетельств (СССР), 1 статья в научно-техническом журнале, 1 депонированная статья, 16 работ в трудах Всесоюзных, Всероссийских с международным участием научно-технических конференциях.
Общая характеристика диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Объем диссертации составляет 334 страницы, в том числе 150 рис. Библиография содержит 165 наименований.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность исследования и разработки новых устройств контроля процесса ЭЛС, отвечающих требованиям помехозащищенности с целью создания современных систем управления процессом ЭЛС, позволяющих повысить качество сварных соединений, отражены новизна и практическая ценность научных результатов, основные положения, выносимые на защиту, а также дано краткое содержание работы.
В первой главе дается обзор основных систем управления ЭЛС, с помощью которых производится совмещение электронного пучка со стыком свариваемых деталей и осуществляется контроль распределения энергии электронного пучка по его сечению. Показано, что наибольшее распространение получили системы слежения с вторично-эмиссионными и рентгеновскими датчиками стыка. Из них наиболее перспективными являются системы с рентгеновскими датчиками стыка. Показано, что существующие системы не обладают требуемой помехоустойчивостью и надежностью, поэтому основной задачей является повышение помехозащищенности систем за счет использования специальных технических решений и обработки измеряемой информации.
Анализ существующих устройств контроля плотности распределения энергии пучка показывает, что наиболее известными являются устройства, в которых для проведения измерения электронный пучок пересекают проволочным зондом или отклоняют пучок на датчик с небольшим отверстием или прорезью. Их недостатком является то, что измерения производятся на некотором расстоянии от поверхности свариваемых деталей, что приводит к погрешности измерения. Ставиться задача о необходимости разработки устройства и метода контроля плотности распределения на поверхности свариваемых деталей и в процессе сварки. Это позволит использовать информационные свойства плотности распределения для управления процессом ЭЛС.
Во второй главе рассмотрена математическая модель рентгеновского датчика стыка (РДС). Получены математические зависимости, связывающие амплитуду сигнала РДС с местоположением оси пучка электронов относитель- но стыка с учетом пространственного расположения датчика в плоскости стыка или в плоскости, перпендикулярной плоскости стыка. Учтено влияние на форму и амплитуду сигнала датчика превышения кромок стыкового соединения. Установлено, что глубина модуляции сигнала РДС зависит от отношения диаметра пучка электронов к величине зазора в стыке деталей. При увеличении диаметра электронного пучка глубина модуляции уменьшается. Предложен метод повышения глубины модуляции сигнала РДС, в основу которого положено применение специально ориентированной коллимирующей насадки на РДС -щелевой бленды из рентгенопоглощающего материала. Коллимированный РДС ориентируют на стык деталей таким образом, чтобы проекция коллимационного отверстия пересекала стык под острым углом. Рассмотрена модель коллими-рованного РДС. Получены математические зависимости, связывающие амплитуду сигнала коллимированного РДС с местом положения оси пучка электронов относительно стыка с учетом зондирующей развертки пучка в виде линейного перемещения вдоль проекции коллимационного отверстия и в виде растра. В третьей главе рассмотрен бесконтактный метод контроля плотности распределения энергии по сечению электронного пучка, основанный на измерении рентгеновского излучения с поверхности свариваемых деталей коллими-рованным рентгеновским датчиком. Приведена математическая модель рентгеновского датчика геометрии электронного пучка, которая обобщает встречающиеся на практике законы распределения плотности тока от островершинных экспоненциальных до плосковершинных и двухмодальных. Определены информационные параметры датчика геометрии электронного пучка, позволяющие идентифицировать форму кривой распределения энергии пучка. Предлагается метод определения диаметра электронного пучка, основанный на вычислении энтропии распределения плотности тока. Вводятся понятия энтропийный диаметр и эффективный энтропийный диаметр. Дается описание оборудования для экспериментального исследования геометрических параметров электронного пучка. Приводятся результаты измерений, оценивается их точность.
В четвертой главе рассматриваются вопросы адаптивного управления процессом ЭЛС. Адаптивность управления реализуется на основе информации, получаемой от датчиков в процессе сварки. При этом в алгоритме управления учитываются: изменения магнитных полей вдоль стыка деталей и устранения ошибки наведения, вызванной действием магнитного поля; изменения чувствительности датчика стыка, вызванного изменением ширины зазора в стыке и ее нормализация; определения координаты стыка, полученной в процессе сварки, с учетом оценки ее достоверности; изменения ширины зазора в стыке и коррекции скорости сварки и амплитуды сканирования электронного пучка; изменения ширины канала проплавлення и коррекции диаметра электронного пучка; изменения формы плотности распределения тока электронного пучка и коррекция ее регулированием температуры нагрева катода.
Высокая помехозащищенность метода адаптивного наведения на стык достигается за счет поэтапного повышения достоверности информации измерительного устройства. Производится экспериментально-теоретический анализ помехоустойчивости сигнала датчика стыка при обработке его методом синхронного накопления и методом фильтрации. Предлагается методика оценки достоверности сигнала датчика стыка по форме сигнала. Приводятся сигналы, экспериментально полученные при различных технологических режимах с разным уровнем помех. Производится оценка их достоверности. Проведен анализ закономерностей распределения плотности вероятности отсчетов координаты кольцевого стыка, установлена зависимость между распределением и мощностью помехи, позволяющая оценить погрешность наведения при воспроизведении записи координат стыка. Для уменьшения погрешности наведения предлагается производить усреднение сохраненных значений координат стыка. Производится оценка возникающей при этом погрешности наведения. Оценивается эффективность использования информационных параметров сигнала датчика стыка в зависимости от формы сигнала и устойчивости к действию помех. Предлагается метод контроля ширины зазора стыкового соединения и ширины канала проплавлення по рентгеновскому излучению с поверхности свариваемых деталей. В основе метода лежит измерение глубины модуляции сигнала от стыка и сигнала, полученного при зондировании канала проплавлення. Приведены экспериментальные данные, подтверждающие обоснованность предлагаемого метода.
Предложен способ компенсации влияния магнитных полей на положение электронного пучка в процессе сварки, в основе которого лежит: измерение магнитного поля датчиком магнитного поля, ориентированным вдоль стыка деталей; измерение отклонения электронного пучка, вызванные действием магнитного поля, коллимированным рентгеновским датчиком; устранение ошибки позиционирования луча в корне шва путем коррекции его положения двойной отклоняющей системой.
В пятой главе рассмотрены вопросы технической реализации средств автоматического управления процессом ЭЛС. Эти средства позволяют контролировать процесс ЭЛС в соответствии с изложенными в предыдущих главах принципами и исполнены как локальные системы, регулирующие отдельные параметры процесса: наведение на стык, контроль диаметра электронного пучка, и как комплексные системы, проводящие весь процесс ЭЛС в автоматическом режиме (АСУ ЭЛС). В составе систем управления применяются средства вычислительной техники, реализованы гибкие алгоритмы управления и специальные приемы обработки информации, повышающие ее достоверность.
В заключении приводятся основные результаты и выводы, имеющие самостоятельное научное и практическое значение, относящиеся к разработке систем управления комплексом оборудования для электронно-лучевой сварки и внедрению их в производство.
В приложения вынесены акты произведенных испытаний и внедрения.
Системы автоматического позиционирования с вторично-эмиссионными датчиками стыка
Большое распространение в практике ЭЛС получили вторично-эмиссионные системы слежения за стыком. Вторично-эмиссионный датчик (ВЭД) отличается простотой и высокой надежностью при интенсивной металлизации, возникающей в процессе сварки. Информационный сигнал на коллекторе отраженных либо проникающих электронов получают, обычно, при ска нировании поверхности детали вблизи стыка электронным пучком. Устройства могут иметь два пучка. Один пучок - зондирующий, вырабатывает информацию о положении стыка, которая используется для последующего энергетического воздействия на стык с помощью второго рабочего пучка [1]. В ИЭС им. Е.О. Патона разработана двухпушечная система автоматического слежения за стыком [140]. Расстояние между рабочим и зондирующим пучком на поверхности деталей 40-50 мм, что позволяет с помощью остронаправленного датчика вторичных электронов сотовой конструкции, располагаемого на небольшом расстоянии (50-75 мм) от изделия, исключить влияние вторичного излучения из сварочной ванны на полезный сигнал. Следящая электронная пушка питается от отдельного источника ускоряющего напряжения 25 KB и формирует пучок электронов диаметром 0,2 мм,
Следует отметить, что применение второй электронно-лучевой пушки понижает функциональную надежность всего устройства. Поэтому, хотя двухпушечная система слежения была создана в промышленном варианте к 1980 г., практического применения она не получила В большинстве вторично-эмиссионных устройств слежения за стыком применяют разделение во времени процессов сварки и зондирования. При этом объединяют в одном сварочном пучке как поисковые, так и рабочие функции, для этого сварочный пучок периодически с высокой скоростью выводят из сварочной ванны в направлении линии сварки и переводят в режим сканирования в непосредственной близости от пятна нагрева. Скорость сканирования поверхности изделия должна быть достаточно высокой для исключения испарения металла, ориентировочноVCK( /) 10P, где Р - мощность пучка (кВт).
Для получения управляющего сигнала используются импульсы тока отраженных электронов и отклоняющего тока. Устройства, использующие дан ный способ получения сигнала, в настоящее время представлены достаточно широко [2, 3, 81, 126, 128, 137, 147]. Типичная функциональная схема такой системы [124] приведена на рис. 1.2. Устройство работает следующим образом. Генератор тактовых импульсов (ГТИ) задает частоту импульсов коррекции и управляет формирователями продольного (Ф1) и поперечного (Ф2) сканирования. Совместное воздействие формирователей на отклоняющую систему (ОС) позволяет разворачивать электронный пучок по треугольному замкнутому контуру. Формирователь импульса симметрии (ФИС) создает импульс симметрии в момент изменения полярности тока в катушке отклоняющей системы. Положение импульса симметрии фиксировано относительно контура сканирования и электронного пучка в зоне сварки. Электронный датчик (ЭД) выполнен в виде изолированного и экранированного кольца, установленного под ОС. На датчик подается отрицательный потенциал в несколько вольт для устранения влияния тепловых электронов малых энергий. Отраженные электроны более высоких энергий преодолевают потенциальный барьер и попадают на датчик. При пересечении пучком стыка, во время сканирующего движения, ЭД выдает положительный импульс. Временное положение импульса сигнала с ЭД и импульса симметрии определяет направление отклонения стыка от электронного пучка. С целью повышения помехозащищенности, блок временной импульсной селекции (БВР) пропускает импульс только тогда, когда пучок движется поперек стыка. Блок выявления направления (БВН) формирует положительный или отрицательный импульс в зависимости от направления ухода стыка и посылает этот импульс в интегратор (ИГ). Последний суммирует поступающие разнопо-лярные импульсы с помощью реверсивного счетчика и после преобразования кода в аналоговую форму, управляет током отклоняющей системы. В случае потери сигнала от стыка электронный пучок удерживается в положении последней коррекции.
Методы выделения сигнала от стыка
В большинстве устройств слежения за стыком для выделения информации о положении стыка сигнал датчика подвергается различным методам Функциональная схема системы слежения за стыком по рентгеновскому излучению канала проплавлення с дифференциальным включением датчиков В системах слежения с амплитудно-частотным методом выделения сигнала (рис. 1.7) [14] для определения положения стыка электронный пучок с помощью генератора (Г) периодически заставляют сканировать поперек стыка с постоянной амплитудой и частотой. Информацию о положении пучка относительно стыка несет составляющая сигнала датчика, частота которой равна частоте поискового сигнала, то есть частоте сканирования стыка электронным пучком. Для выделения именно этой составляющей, сигнал с датчика стыка пропускается через избирательный усилитель (ИУ) и выпрямляется в демодуляторе (ДМ). Затем сигнал, пропорциональный отклонению пучка от стыка, подается на интегратор (И) и отклоняющую систему. Существуют различные варианты амплитудно-частотного метода выделения сигнала. В устройстве [16] предлагается сканирование пучка модулировать колебаниями, содержащими две гармонические составляющие, частоты которых существенно различаются. Это позволяет исключить влияние помехи, обусловленной наводкой на цепи датчика от тока, протекающего в отклоняющей системе. Применение амплитудно-частотного метода способствует уменьшению влияния флюктуационных и импульсных помех на точность слежения. К недостаткам метода следует отнести погрешности, связанные с изменением чувствительности, возникающей из-за изменения амплитуды сигнала, величины зазора в стыке. В системах с фазоимпульсным методом выделения сигнала для определения положения стыка производится периодическое пересечение пучком стыка. Возникающий при этом импульс от стыка отделяется от постоянной составляющей и нормируется по длительности и амплитуде. Его фаза, несущая информацию о величине рассогласования, сравнивается с характерной точкой развертывающего напряжения. По величине смещения импульса от стыка относительно этой точки определяется величина смещения луна относительно стыка. В устройстве [115] (рис. 1.8) сигнал от стыка получают в процессе сканирования пучком в прямом и обратном направлении. Развертка пучка производится 222$: ш Рис. 1.7 - Функциональная схема системы слежения за стыком с амплитудно-частотным методом выделения сигнала от стыка Рис. 1.8. Функциональная схема системы слежения за стыком с фазоимпульсным методом выделения сигнала от стыка с помощью генератора сигналов треугольной формы (Г1). Измеряются фазы сигнала от стыка при прямом и обратном сканировании. Измерение производится посредством интегрирования постоянного опорного напряжения в интеграторе (И1). Интегрирование начинается с начала момента сканирования по-дачей генератором (Г2) сигнала "Старт" и заканчивается, когда пучок пересекает стык. При этом сигнал с датчика стыка (Д) через предварительный усилитель (УС) включает компаратор (К), который вырабатывает сигнал "Стоп". Определенная таким образом фаза сигнала от стыка затем хранится в течение оставшейся части прямого хода пучка в интеграторе (И1). Во время сканирования в обратном направлении интегрируется отрицательное опорное напряжение такой же величины. Это достигается переключением ключа (Кл)., Полученный на интеграторе (И1) суммарный сигнал, пропорциональный величине отклонения стыка от середины зоны сканирования, передается на интегрирующее устройство (И2), которое управляет отклоняющей системой, предназначенной для коррекции положения стыка. Системы слежения с фазоимпульсным способом выделения сигнала от стыка позволяют точно определять положение стыка при меняющейся в процессе слежения амплитуде сигнала датчика. Следует отметить, что устойчивое выделение сигнала возможно при условии превышения амплитуды сигнала над помехой в 5 -10 раз. В противном случае могут произойти сбои в системе слежения, что приведет к потере точности ведения луча по стыку. Наличие помех, действующих на датчик, приводит к необходимости включения в устройство слежения пороговой схемы, уровень срабатывания которой должен находится в определенном соотношении с величиной полезного сигнала и уровнем шума. Учитывая, что флюктуация амплитуды сигнала и помехи подчинены нормальному закону распределения Гаусса, можно определить оптимальный пороговый уровень уп, при котором обеспечивается максимальная защищенность от помех [127].
Расположение датчика стыка в плоскости стыка
Установим датчик в плоскости стыка под углом ф к плоскости свариваемых деталей и - Зависимость интенсивности рентгеновского излучения Інорм от места положения луча на стыке хц (мм) для датчика, расположенного в плоскости, перпендикулярной стыку, при наличии превышения кромок hKp. При hs = 0,3 мм, ф = 45, о = 0,3 мм, L = 3 мм: 1 - hKp = 0,3 мм; 2 - hKp = 0,45 мм; 3 - h = 0,6 мм; 4 - hKp = 0,75 мм. - Зависимость интенсивности рентгеновского излучения ІНорМ от места положения луча на стыке хц (мм) для датчика, расположенного в плоскости, перпендикулярной стыку, при наличии превышения кромок. Оценочная формула: 1 - hKp = 0,3 мм; 2 - Ькр = 0,45 мм; 3 - hKp = 0,6 мм; 4 - h = 0,75 мм. Ks a, a a\ K2(a) = Ks= l aj a a (2.14) Задаваясь шириной горизонтальной плоскости датчика dk, равной диаметру детектора РИ, и расстоянием от датчика до места измерения R, можно определить: Рис. 2.14 - Схема размещения датчика РДС в плоскости стыка Подставляя полученное значение К2(х) в формулу (2.5) и (2.6), получим: = Выражения (2.17) и (2.18) определяют статическую характеристику датчика стыка в случае его расположения в плоскости стыка. На рис. 2.15 показаны зависимости нормированной интенсивности рентгеновского излучения 1норм от места положения оси пучка относительно стыка хц (мм) при расположении датчика в плоскости стыка. Расчеты проводились по формуле (2.17) при величине зазора hs = 0,3 мм для различных значений —. Размеры датчика: dk = 50 мм, расстояние от датчика до места измерения R = 200 мм. J-HODM 1,0 Рис 2.16 - Зависимость коэффициента глубины модуляции Км амплитуды сигнала от стыка при расположении датчика в плоскости стыка при hs = 0,3 мм для различных значений — hs Определим коэффициент глубины модуляции сигнала от стыка. В этом случае из формулы (2.17) следует На рис. 2.16 показана зависимость Км от различных значений при величине зазора в стыке hs = 0,3 мм. Расчеты проводились по формуле (2.19). Решая интеграл в выражении (2.19) по формуле (2.8), можно получить оценочную формулу К =і-Ь-Ь aV2 7t Рассмотрим влияние превышения кромок стыкового соединения на статическую характеристику датчика стыка. Если датчик расположен в плоскости стыка, то при отсутствии тени наличие превышения кромок приводит к уменьшению угла обзора датчика (а2 - aj) рис. 2.17. В этом случае, выражение (2.17) следует изменить: Рис. 2.17 - Схема формирования сигнала от стыка при расположении датчика в плоскости стыка при наличии превышения кромок и отсутствии затененности датчика стыка Задаваясь размерами датчика dK - ширина горизонтальной плоскости, R расстояние до места измерения, можно определить:
Подставляя полученные выражения в формулу (2.20), получим: На рис. 2.18 показаны зависимости нормированной интенсивности рентгеновского излучения 1НОрм от места положения пучка на стыке х„ (мм) и превышения кромок. Расчеты проводились по формуле (2.22) при hs = 0,3 мм; ст = 0,3 мм; ф = 45; L = 3 мм. Превышение кромок hKp менялось от 0 до 0,9 мм. Размеры датчика: ширина dK = 50 мм, расстояние до места измерения R = 200 мм. - Зависимость интенсивности рентгеновского излучения 1норм от места положения пучка на стыке хц (мм) для датчика, расположенного в плоскости стыка, при наличии превышения кромок и отсутствия затенения. hs = 0,3 мм, а = 0,3 мм, ф = 45, L = 3 мм, dK = 50 мм, R = 200 мм, п,ф = 0 мм(1); 0,3 мм(2); 0,6 мм(3); 0,9 мм(4) При наличии тени (рис. 2.19) рентгеновское излучение от поверхности деталей из теневой области в направлении датчика ослабляется, проходя через выступающую часть кромок в К3 раза. Теневую область можно определить из формулы: L =h4,-0,S(dK-hl) кр R-sincp-h Для любой из точек теневой области (например точка хт), коэффициент ослабления К3 зависит от направления угла обзора датчика а . Для углов, лежащих в секторе обзора датчика, можно записать 1 Рис. 2.19 - Схема формирования сигнала от стыка при расположении датчика в плоскости стыка при наличии превышения кромок и затененности датчика 103 к3 =
а, а ак ехр(-цхкр) ак ат а2 где Хкр - толщина материала превышающей кромки в направлении угла о ; \i-линейный коэффициент ослабления. Величину критического угла сск, при котором начинает оказывать влияние теневая область, для любой точки теневой области с текущей координатой хт -LT-0,5hs xT -0,5hs
Формирование сигнала от стыка на коллимированном РДС при пересечении электронным пучком стыка вдоль проекции коллимационного отверстия
Разместим ость X вдоль проекции коллиматора, а начало координат установим в точку пересечения оси стыка и оси проекции коллиматора (рис. 2.22). Пересечение лучом стыка производиться вдоль проекции коллимационного отверстия по оси X. Зона обзора коллимированного РДС представлена плоскостью absd. Коэффициент, учитывающий позицию датчика, рассчитывается так: К,= d-h 47і2(1,+12)2 (2.23) где d - длина коллимационного отверстия; h - ширина коллимационного отверстия; lj - длина коллимационного канала; Ь - расстояние от коллиматора до поверхности обрабатываемых деталей. Интенсивность РИ в зоне обзора коллимированного РДС на поверхности, ограниченной проекцией коллимационного отверстия, в соответствии с выражением (2.5) можно представить в виде: =
Схема ориентации коллимированного РДС: 1 - корпус РДС; 2 - коллиматор РДС; 3 - пучок электронов; 4 - свариваемые детали; 5 - проекция коллиматора на поверхность свариваемых деталей; hk - ширина проекции коллиматора; h - ширина коллимационного отверстия; її - длина коллимационного канала; Ь - расстояние от коллиматора до поверхности обрабатываемых деталей; d - длина коллимационного отверстия; (3 - угол между проекцией коллиматора и стыком
Продадая коллиматора Зазор схьжа Рис. 2.22 - Схема формирования сигнала от стыка на коллимированном РДС при пересечении электронным пучком стыка вдоль проекции коллимационного отверстия: 1,2- поверхности свариваемых деталей; 3 - стык свариваемых деталей ПО где W=KKiZU Іп; її - интенсивность рентгеновского излучения с поверхности детали 1 на участке от Хі до Хг; h - интенсивность рентгеновского излучения с поверхности детали 2 на участке от х3 до Х4; Із - интенсивность рентгеновского излучения из зазора в стыке 3. Учитывая, что dn = 2а и hK 2a, уц = 0 можно решить приближенно интеграл в выражении (2.24) Выражения (2.29) и (2.30) определяют статическую характеристику датчика стыка при ограничении интенсивности рентгеновского излучения на поверхности свариваемого изделия коллиматором при пересечении стыка электронным пучком вдоль проекции коллиматора. На рис. 2.23 - 2.25 показаны зависимости нормированной интенсивности рентгеновского излучения 1НОрм от места положения луча относительно стыка хц (мм) для различных значений — и углов (3 = 10; 45; 75. Зависимости nobs строены для величины зазора в стыке hs = 0,3 мм, ширины проекции коллимационного отверстия hk = 0,1 мм. Расчеты выполнялись по формулам (2.29) и (2.30). Нормирование производилось делением полученных из формул (2.24) величин на
Зависимость интенсивности рентгеновского излучения 1норм от места положения оси пучка на стыке хц (мм) и — при h = 0,1 мм, hs = 0,3, Р = 10: Зависимость интенсивности рентгеновского излучения 1норм от места положения оси пучка на стыке хц (мм) и — при hk = 0,1 мм, hs = 0,3, Р = 75: hs 1_ =0,5;2- = 1;3-- = 1,5;4- =2 К к к к P(ipa$ Рис. 2.26 - Зависимость коэффициента глубины модуляции сигнала Км колли-мированного датчика стыка от угла Р между проекцией коллиматора и стыком 1 - — = 0,5; 2 - — = 1; 3 - — = 1,5; 4 - — =2 К К К К 115 На рис. 2.26 изображена зависимость коэффициента глубины модуляции от угла Р наклона проекции коллиматора и оси стыка для различных значений —. Из эти этих характеристик видно, что при угле наклона р = 10 коэффици-ент глубины модуляции высок для всех отношений —.
