Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ особенностей технологии и уровня развития систем управления установками прецизионной электронно-лучевой сварки
1.1. Технология и оборудование для электронно-лучевой сварки 7
1.2. Системы управления электронно-лучевыми сварочными установками 17
1.3. Формулирование целей и задач исследования 30
Глава 2. Разработка структуры и модели системы управления установки электронно-лучевой сварки
2.1. Разработка функциональной схемы системы управления 32
2.2. Разработка математической модели электронной пушки 37
2.3. Разработка математической модели сварочной ванны 44
2.4. Разработка математических моделей исполнительных устройств и датчиков неизменяемой части системы 50
2.5. Разработка структуры управляющего устройства и алгоритмов текущей идентификации объектов управления 58
2.6. Синтез системы управления установки электронно-лучевой сварки 63
2.7. Выводы по результатам исследований, приведенным в гл. 2 76
Глава 3. Исследование системы управления установки электронно-лучевой сварки
3.1. Проверка алгоритма текущей идентификации объекта управления 77
3.2. Исследование режима пуска системы 83
3.3. Проверка системы на устойчивость при влиянии возмущений 90
3.4. Выводы по результатам исследований^ приведенным в гл. 3 98
Глава 4. Экспериментальные исследования и особенности реализации системы управления установки электронно-лучевой сварки
4.1.Экспериментальное исследование трехэлектродной термоэмиссионной пушки 99
4.2. Идентификация процессов в сварочной ванне 102
4.3. Описание реализации разработанной системы 109
4.4. Экспериментальное исследование разработанной системы 113
4.5. Выводы по результатам исследований, приведенным в гл.4 119
Заключение 120
Библиографический список 121
Приложения
- Системы управления электронно-лучевыми сварочными установками
- Разработка математической модели электронной пушки
- Исследование режима пуска системы
- Идентификация процессов в сварочной ванне
Введение к работе
Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) широко применяется при изготовлении прецизионных сборочных единиц в машиностроении, сварке деталей из химически активных, разнородных и тугоплавких материалов. К преимуществам данной технологии относится высокое отношение глубины проплавлення к ширине (до 10:1 при «кинжальном» проплавлений), возможность концентрации энергии во всем диапазоне термического
воздействия (от 10 до 5-10 Вт/см ), ведение процесса в вакууме, что обеспечивает чистоту сварного шва, а также возможность полной автоматизации процесса.
Указанные преимущества технологии делают актуальным ее применение для целей прецизионной сварки тонкостенных деталей и микросварки, герметизации корпусов в атомной, авиационной и электронной промышленности. Как правило, ЭЛС применяется для сварки наиболее ответственных деталей. При этом точность поддержаниятеплового режима и его воспроизводимость являются основными условиями высокого качества сварных швов. Поэтому задача автоматизации процесса сварки, обеспечивающая достижение стабильности процесса при различных возмущениях является актуальной.
В настоящее время проблемы управления манипуляторами, вакуумным оборудованием и источниками питания, в основном, решены. Нерешенными являются задачи управления тепловым процессом сварки.
В диссертации, посвященной разработке системы управления тепловым режимом сварочной ванны при прецизионной сварке в электронно-лучевой установке, решается целый ряд научных и технических задач, таких, как разработка требований к элементам технологического оборудования, выбор способа контроля теплового режима сварочной ванны и разработка функциональной схемы системы управления. Проведены экспериментальные исследования электрических и тепловых режимов процесса прецизионной сварки в электронно-лучевой установке с целью определения зависимостей
между качеством сварного шва и током, проходящим через изделие. Кроме того, на основе аналитических и экспериментальных исследований получены математические модели процессов в сварочной ванне и системе управления, разработан оригинальный алгоритм управления тепловым режимом
| сварочной ванны по сигналу тока, проходящего через деталь,
обеспечивающий стабилизацию параметров сварного шва при изменении температурных условий и формы детали. Проведены аналитические и экспериментальные исследования предложенной релейной системы управления тепловым режимом сварочной ванны.
Указанный комплекс задач определяет структуру и содержание работы, состоящей из четырех глав:
\ - глава 1 «анализ особенностей технологии и уровня развития систем
управления установками прецизионной электронно-лучевой сварки»;
Системы управления электронно-лучевыми сварочными установками
Трудности разработки современных систем управления процессом ЭЛС обусловлены сложностью физических процессов формирования рабочего пучка электронов, его взаимодействия с поверхностью свариваемых материалов-: и невозможностью контроля большинства регулируемых величин. Поэтому, тенденции развития: систем управления направлены на повышение качества сварного соединения, обеспечение повторяемости показателей сварного соединения, снижение трудоемкости при эксплуатации и повышение КПД оборудования. Несмотря на большое количество теоретических и практических разработок, выполненных как отечественными, так и зарубежными специалистами? [2,6,1 3,22,29Р5;40,65]:, проблему нельзя считать полностью решенной. На рис. 1.4 приведена построенная по результатам проведенного анализа классификационная схема; раскрывающая основные пути автоматизации как ; отдельных подсистем, так и систем комплексного управления технологическим процессом сварки в электронно-лучевых установках.
Системы управления режимом электронно-лучевой сварки можно разделить на две основные группы - разомкнутые системы управления (программаторы сварки) и системы управления, использующие датчики обратной связи.
Трехкоординатная система управления приводом перемещениям стола, описанная в [22], позволяет осуществлять сварку и размерную обработку деталей сложной формы по заданной траектории перемещения детали относительно стыка. Основным недостатком таких систем является отсутствие обратных связей по технологическим параметрам. Так, фокусное расстояние электронного пучка, ток и диаметр пучка в рабочей зоне изменяются при регулировании ускоряющего напряжения, напряжения управляющий электрод-катод, и при изменении эмиссионных свойств катода, что является распространенным явлением при эксплуатации термоэмиссионных пушек. Поэтому для повышения качества сварных соединений необходимо1 введение обратных связей для стабилизации параметров луча.
Изменение условий теплообмена в процессе формирования шва, которое может быть обусловлено геометрией детали, неточной подгонкой стыка и т.п., может приводить к браку при сварке деталей сложной формы.
При сварке тонкостенных деталей, током постоянной величины проплавление часто оказывается неравномерным: на начальном участке ширина и глубина зоны проплавлення значительно меньше, чем в конце шва, что связано с изменением температурных условий в зоне сварки, обусловленных высокой теплопроводностью детали. Поэтому оператору приходится методом «проб и ошибок» выбирать параметры технологического цикла сварки - уменьшать и увеличивать ток луча, или фокус по заданному заранее закону.
Термическая деформация деталей" в процессе сварки часто приводит к смещению пучка по отношению к стыку. Все перечисленные обстоятельства ограничивают применение разомкнутых систем управления режимом электронно-лучевой сварки.
Вторую группу составляют системы, использующие датчики для контроля или стабилизации параметра регулирования, представляющие собой локальные регуляторы. Таким параметром может быть положение пучка относительно стыка деталей, пространственные и энергетические параметры пучка (положение фокуса, ток луча, энергия электронов), или непосредственно параметры сварного шва (например, глубина проплавлення).
Большое число опубликованных работ посвящено проблеме наведения пучка на стык свариваемых деталей [21,35,40]. Для определения относительного положения пучка и стыка и получения изображения поверхности свариваемых деталей используются два основных типа датчиков. Это датчики (коллекторы) отраженных и вторичных электронов, либо оптические датчики (видеокамеры и фотоприемные устройства).
Впервые способ слежения за стыком свариваемых деталей с использованием вторично-электронной эмиссии был предложен еще в 1962 г., и имеет много общего с методами электронной микроскопии. Коллектор электронов (Рис. 1.5) обычно представляет собой металлическую пластину, или диск с отверстием для прохождения луча, расположенный внутри вакуумной камеры, и соединенный с корпусом через резистор. В отечественной литературе такие устройства называют датчиками вторично-эмиссионных электронов, в зарубежных работах - коллекторами отраженных электронов.
При пересечении стыка пучком электронов изменяются интенсивность потока отраженных электронов и ее распределение в пространстве. Как только первичный пучок начнет перекрывать линию стыка, т.е. хотя бы частично станет проникать сквозь зазор между кромками, отраженный ток уменьшится. Степень его изменения, а следовательно, форма и величина полезного сигнала в нагрузке датчика, зависят от смещения центра электронного пучка относительно середины стыка и соотношения радиуса пучка ге и ширины зазора в стыке [36].
Слежение за стыком с использованием коллекторов электронов может быть реализовано различными способами. В системе, описанной в [35], сначала производится предварительное сканирование всего стыка лучом на малом токе, сигнал оцифровывается с помощью ЭВМ в виде матрицы, которая преобразуется в изображение, позволяющее оператору задать траекторию сварки. Процесс сварки прерывается через 300 мс на 5мс, в течение которых производится сканирование поверхности стыка на малом токе, позволяющее программе скорректировать траекторию при возникающих термических деформациях деталей. Корректировка положения луча может осуществляться как с применением отклоняющих систем, так и с помощью электромеханического привода. Сканирующий пучок может применяться как для получения изображения стыка, так и предварительного разогрева поверхности деталей перед сваркой с целью уменьшения термической деформации в процессе сварки и последующей термообработки [40].
Разработка математической модели электронной пушки
Трехэлектродная термоэмиссионная пушка генерирует пучок электронов, который характеризуется определенной энергией и током. Кинетическая энергия электронов зависит от напряженности электростатического поля между анодом и катодом, ускоряющего электроны, которая, определяется ускоряющим напряжением. Ток луча определяется потенциалом управляющего электрода, температурой.катода, и ускоряющим напряжением. Поэтому в специальной литературе в расчетах мощности нагрева электронным лучом вместо энергии электронов используют ускоряющее напряжение[49].
Следовательно, задачей исследования является получение модели, имеющей три входных величины - ток накала катода, ускоряющее напряжение, и напряжение смещения, и одну выходную величину - ток луча.
В рассматриваемой пушке, схема которой приведена на рис. 2.2, под действием электростатического поля, создаваемого катодом, управляющим электродом и анодом пушки, траектории электронов, выходящих из различных точек катода с нулевыми тангенциальными составляющими скоростей, пересекаются в некоторой точке. В плоскости, проведенной через эту точку перпендикулярно к главной оптической оси 001, пучок имеет некоторое сечение радиусом гк, называемое кроссовером. При использовании магнитных фокусирующих систем рабочий пучок фактически представляет собой- изображение кроссовера, а угол сходимости электронов в рабочей области пучка, будет определяться его положением относительно плоскости катода ZK [36]. При повышении ускоряющего напряжения пушки, ZK увеличивается, а эффективное сечение пучка в зоне сварки уменьшается, что подтверждено экспериментальными данными [62]. Количественная оценка этого изменения представляет крайне сложную задачу вычисления траекторий электронов, при решении которой необходимо учитывать геометрию поверхности катода, расталкивающее влияние объемного заряда пучка, разброс по скоростям термоэлектронов, неоднородность плотности тока вблизи катода и т.п. [52].
Для управления током луча в трехэлектродной пушке используется тот же метод, что и в электровакуумном триоде, только вместо сетки здесь используется управляющий электрод[20]. При подаче на него отрицательного потенциала относительно катода, в пушке создается объемный отрицательный заряд, препятствующий прохождению электронов и формированию протяженного пучка. При этом часть эмитируемых электронов возвращается на катод. Изменяя величину напряжения управляющий электрод - катод, можно регулировать величину тока пучка, и полностью «запереть» пушку. Следует принять во внимание то, что при изменении потенциала на управляющем электроде, положение и радиус кроссовера изменяются (поэтому систему катод - управляющий электрод -анод также называют «катодной линзой»). Увеличение тока луча приводит к увеличению ширины зоны проплавлення, глубина шва при этом растет незначительно [36].
Анодная цепь пушки обычно представляется активно-емкостной нагрузкой. На схеме рис. 2.3 активное сопротивление анодной цепи представлено в виде двух последовательно соединенных нелинейных резисторов - Rj и R2. Сопротивление резистора Ri зависит от ускоряющего напряжения (UycK) и напряжения управляющий электрод - катод (напряжение смещения, Uc), а сопротивление резистора R2 есть функция тока накала катода (1нак)- Как показали эксперименты, взаимные емкости электродов (анод-катод, Са.к анод-управляющий электрод Са-уэ, катод-управляющий электрод Ск.уэ) составляют менее 20 пФ, емкость высоковольтного кабеля (Ск) составляет менее 1 нФ. Эти емкости пренебрежимо малы по сравнению с выходной (фильтровой) емкостью источника питания, следовательно, анодную цепь пушки целесообразно рассматривать как активное сопротивление.
Модель, структурная схема которой приведена на рис. 2.4, составлена на основе экспериментально полученной вольтамперной характеристики, снятой при ускоряющем напряжении 30 кВ, представленной функцией Fi(Uc ), и приведенной на рис. 4.2(a). При изменении управляющих воздействий — ускоряющего напряжения иуск и напряжения смещения Uc необходимо вносить соответствующие поправки для вычисления значения тока электронного пучка 1п.
Исследование режима пуска системы
После исследования работоспособности алгоритма текущей идентификации процессов в сварочной ванне и определения диапазона изменения тока луча, скорости сварки и максимальной частоты модуляции тока пучка, необходимо проведение исследования пуска системы при отсутствии возмущений. Это позволит сделать первичное заключение об устойчивости работы системы в рассматриваемом диапазоне управляющих воздействий. Кроме того, оценка колебаний условной температуры поверхности сварочной ванны Т при формировании шва, вызванных пульсацией тока луча, позволит более точно задать диапазон изменения частоты модуляции тока луча, обеспечивающий качество сварного шва.
Исследование проводились на модели, блок-схема которой изображена на рис. 3.1. Исходные параметры выбирались средними из диапазонов, указанных в 3.1. Таким образом, толщина детали выбиралась равной 0,5 мм, скорость сварки 500 мкм/с, амплитуда тока луча 7 мА, при ускоряющем напряжении 30 кВ и токе накала 16 А. Варьируемым параметром является частота следования импульсов тока электронного пучка.
С технологической точки зрения наиболее важной задачей является определение температурного поля в области воздействия пучка и нахождение границы фазового перехода (фронта плавления и кристаллизации) при заданных параметрах источника нагрева, материала и геометрических размерах детали. Решение такой задачи требует проведения компьютерного моделирования. Учет температурных зависимостей теплофизических параметров материала и теплоты фазовых переходов приводит к необходимости решения нелинейной задачи Стефана [48] с разрывными коэффициентами.
Очевидно, что повышение частоты модуляции тока электронного пучка также приведет к повышению качества сварного соединения. На рис. 3.7. приведены осциллограммы, иллюстрирующие работу модели системы рис. 3.1 при частоте модуляции тока электронного пучка, равной 2 кГц. Работа системы, заключающаяся в идентификации процессов в сварочной ванне, приводит к тому, что импульсы тока луча при пуске системы имеют различную длительность. Первый импульс имеет длительность 0,32 мс, второй - 0,17 мс, остальные импульсы имеют равную длительность, составляющую 0,24 мс. Это объясняет тем, что при воздействии электронного пучка на «холодную» деталь требуется больше время для нагрева и расплавления металла, т.е. для обеспечения протекания процессов эмиссии термоэлектронов. Следовательно, для обеспечения срабатывания алгоритма текущей идентификации при прохождении током точки перегиба также требуется большее время. Это хорошо иллюстрируется на рис. 3.7. кривой условной температуры Т . В начальный момент времени (2 мс) температура Т равна нулю, в дальнейшем «остывания» детали до нулевой температуры не происходит. Из рисунка видно, что нагрев детали при воздействии первым, вторым и третьим импульсами происходит при различных начальных условиях, что и объясняет различную длительность импульсов тока луча.
Дальнейшее увеличение частоты следования импульсов нецелесообразно, т.к. может приводить к несрабатыванию алгоритма текущей идентификации процессов в сварочной ванне при колебании толщины деталей, или наличии других возмущений.
Проведенные исследования позволяют сделать следующий вывод. Частота модуляции тока электронного пучка должна выбираться в зависимости от ряда параметров, таких как амплитуда тока электронного пучка, средняя толщина детали, скорость сварки, эффективный диаметр электронного пучка (фокусировка). Теоретически возможно построение системы, в которой частота выбирается автоматически по величине сигнала тока термоэлектронной эмиссии, детектируемого после отключения тока электронного пучка (см. отрицательные значения / м на рис. 3.7). Однако экспериментальные исследования, описанные в гл. 4 показали, что существующие источники питания не обеспечивают получение «крутопадающего» обратного фронта импульсов тока электронного пучка. А поскольку ток, проходящий через деталь, представляет собой разность тока луча и тока термоэлектронной эмиссии, то амплитуда тока теромоэлектронов уменьшается до малой величины (десятки милливольт) и технически не представляется возможным детектировать ток термоэлектронной эмиссии при отсутствии тока луча. Поэтому частота модуляции тока электронного пучка должна выбираться в соответствии с выводами, приведенными в 3.1 и 3.2. Другим вариантом является выбор длительности «паузы» тока луча пропорционально длительности предыдущего импульса тока. Такую систему можно реализовать программно с помощью ЭВМ.
Идентификация процессов в сварочной ванне
Наиболее сложным объектом с точки зрения построения модели является сварочная ванна. В качество входных величин рассматриваются ток луча, ускоряющее напряжение, скорость перемещения детали относительно луча и толщина детали. Диаметр луча настраивается с помощью оптической системы наблюдения фокусировкой луча перед началом процесса измерения. Поэтому диаметр луча принимается постоянным. Выходной величиной для предлагаемой системы управления является ток, проходящий через образец.
В соответствии с изложенным в 2.3, целью исследования является определение положения характерных точек временной зависимости сигнала тока, стекающего с детали, от выбранных входных величин. На рис. 4.3 приведена характерная зависимость сигнала тока, проходящего через образец, от времени воздействия луча. Характерными точками для этой зависимости являются точка первого максимума сигнала (ті), и точка первого минимума (т2), после прохождения которой зависимость приобретает колебательный характер. В 2.3. указано, что для обеспечения требуемого для микросварки «мягкого» режима плавления рабочая точка должна лежать между ті И Т2.
Образец (изделие) 1, электрически соединялся с корпусом датчика тока 3 и закреплялся с помощью фиксатора 2. Корпус датчика тока 3 изолировался от корпуса установки посредством изолятора 6. Под образцом располагалась медная пластина 4, изолированная от корпуса датчика тока изолятором 6. Для измерения полного тока использовался датчик типа «цилиндр Фарадея» 5 [30], установленный на медной пластине 4. С помощью экранированных проводников 7 корпус датчика тока 3 и медная пластина 4 через вакуумный разъем подсоединялись к аналоговым входам платы 16-канального аналого-цифрового преобразователя ADLink PCI-9118, установленной на промышленном компьютере IPC ROBO-2000. Каждый из используемых измерительных входов через прецизионный резистор сопротивлением 1 кОм соединялся с корпусом установки.
Приведенная схема измерения позволяет регистрировать ток, стекающий с детали /м, являющийся выходным сигналом сварочной ванны (Вході, сигнал /м ) и ток луча /л (Вход2, сигнал /л ), представляющий собой входной сигнал. Сигналы тока луча и тока, стекающего с детали, регистрировались, преобразовывались в массив данных и сохранялись на диске с помощью программы Memoscope, разработанной в среде Visual Basic. Текст программы и ее описание приведены в Приложении 2. Минимальный временной интервал считывания данных по двум каналам АЦП составлял 5 мкс, что было установлено с помощью эталонного генератора- импульсов. Максимальное время записи ограничено величиной 20 сек.
Образцы представляли собой пластины из Стали 12Х18Ш0Т с размерами 20x1 OOxh мм, где h (толщина пластины) - параметр, варьируемый в диапазоне 0.1-1 мм. Воздействие лучом производилось в импульсном режиме, поскольку основной интерес представляет реакция сварочной ванны при включении луча, т.е. участок зависимости /м (Х)э содержащий характерные точки Tj И Т2.
Исследования проводились по схеме интерполяционного эксперимента при изменении факторов (тока луча, скорости сварки и толщины детали) в целевом диапазоне. Были проведены три серии экспериментов. Длительность импульсов тока луча при проведении всех экспериментов составляла 2000 мкс, частота следования импульсов 100 Гц. Данные экспериментов сведены в таблицы 4.1 - 4.3., а зависимости /м 0) и фотографии полученных проплавлений приведены на рис: 4.5-4.6.
Дальнейшее увеличение тока луча приводило к тому, что скорость и амплитуда уменьшения сигнала IM (t) на начальном участке увеличивались, а временной интервал (т2...Т]) сокращался, и при амплитуде тока луча 4 мА составил 100 мкс. Такая закономерность не противоречит выводам, сделанным в гл.2 при получении модели сварочной ванны, и объясняется увеличением скорости нагрева сварочной ванны при увеличении тока электронного пучка.
Скорость сварки изменялась в диапазоне 100 - 2000 мкм/с. Такая, точность задания скорости обеспечивается применением в экспериментальной установке координатного стола с шаговым приводом и дискретностью горизонтального перемещения 1 мкм (при подаче одного импульса на блок управления шаговым двигателем стол перемещается на 1 мкм). Было установлено, что увеличение скорости перемещения образца приводит к.затягиванию процесса уменьшения сигнала IM (t). При скоростях сварки более 1000 мкм/с и токе луча 4 мА видимого уменьшения;амплитуды сигнала IM (t) не наблюдалось. Результаты экспериментальных исследований не противоречат общеизвестным физическим представлениям, так как увеличение скорости перемещения детали относительно луча эквивалентно уменьшению мощности источника нагрева, выделяемой в единицу времени.
