Повышение качества системы управления лазерным технологическим комплексом сварки ответственных деталей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Заморский, Валерий Валентинович

• Заморский, Валерий Валентинович
• кандидат технических наук
• 2003

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение качества системы управления лазерным технологическим комплексом сварки ответственных деталей»

Современный этап развития промышленности характеризуется совершенствованием технологических процессов (ТП) и внедрением высокоэффективных технологий. Использование лазерного излучения в машиностроении 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 электроннолучевая сварка. При всех ее достоинствах она обладает рядом существенных недостатков. Основным из 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 обеспечиI вает высокую эффективность сварки. [6,7,10]

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 исследований 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 заданном-соотношении 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 необходимость поддержания требуемых параметров ТП, в частности, температуры в сварочной ванне, а также положение фокуса 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 ЛТК, определяющих её 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 двухплощадочного фотоприемника, жестко связанного с оптической системой ЛТК.

Тепловое излучение от обеих частей свариваемой детали попадает на двухплощадочный 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. V

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 JITK, 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 возмущающиё воздействия различной физической природы и, в конечном итоге, влияют на регулируемые параметры зоны сварки, 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 реактивные 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 коэффициента 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 цепи, 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 (A.C. №,№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 (A.C. №, № 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 (A.C. 1026080,1785071,830879);

- разработаны устройства измерения параметров комплексного двухполюсника, характеризующего схему замещения измерительной цепи и тракта преобразования (A.C. №, № 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.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Заморский, Валерий Валентинович

Основные результаты работы

1. В результате исследований тепловых процессов, происходящих в зоне взаимодействия лазерного излучения с металлом, установлено, что собственное тепI ловое излучение металла поляризовано и для измерения температуры сварки можно использовать методы поляризационной фильтрации, с последующей обработкой спектрального распределения излучения.

2. Показатели качества ТП лазерной сварки можно повысить, за счет улучшения качества управления ЛТК, путем введения обратных связей: по температуре металла и

- по положению пятна относительно стыка деталей.

Повышение запаса устойчивости, путем уменьшения влияния изменений параметров тракта преобразования САУ на управляющие воздействия, достигается за счет:

- математической обработки результатов совокупного измерения образцового и информационного сигнала, характеризующего текущее состояние управляемого объекта;

- параметрической оптимизации тракта преобразования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные в диссертационной работе исследования показали, что лазерная сварка для ответственных деталей требует повышения точностных характеристик для всех звеньев ЛТК. Тракт преобразования и передачи информации с датчиков является одним из звеньев сложной системы. Учет влияния изменения параметров тракта является насущной проблемой всех высокоэнергетических комплексов, i обеспечивающих прогрессивные ТП.'

Важно отметить, что повышение запаса устойчивости САУ сказывается положительным образом на внедрении ЛТК в производство, в условиях повышенных значений мешающих факторов. Это приводит к расширению области допустимых значений уровня электромагнитных наводок и помех по общей питающей электрической сети. В результате исключения влияния изменения комплексного сопротивления тракта преобразования сигналов, влечет за собой снижения уровня дифференциальной составляющей помехи на входе приемника информации.

В работе показано, что при заданном соотношении уровня сигнала к уровню í шума исключение pá36poca параметров тракта приводит к снижению коэффициента усиления приемника и соответственно к повышению запаса устойчивости САУ.

Из этого следует, что поставленная цель - повышение качества лазерной сварки - достигнута за счет повышения помехозащищенности САУ. Полученные решения снижают риск возникновения аварийных ситуаций приводящих к браку.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Заморский, Валерий Валентинович, 2003 год

1. Лазерная и электро-лучевая обработка материалов: Справочник./Н.Н. Рыкалин, A.A. Углов, И.В. Зуев, А.Н. Кокора. М.: Машиностроение, 1985. 496 с.

2. Абильсиитов Г.А. Технологические лазеры. Справочник в 2-х томах. М: Машиностроение, 1991.

3. Реди Дж. Промышленное применение лазеров: Пер. с англ. М.:Мир,1981.

4. Справочник по лазерам./ Под. ред. акад. A.M. Прохорова. В 2-х томах. — М.:1. Сов.радио, 1978.

5. Теоретические основы воздействия лазерного излучения на материалы: Учеб. пособие для ВУЗов / Б.А. Виноградов, В.Н Гавриленко, М.Н. Либенсон. Благовещенск: Изд-во БПИ, 1993. - 344 с.

6. Веденов A.A., Гладуш Г.Г., Физические процессы при лазерной обработке материалов. М.: Энергоатомиздат, 1985.

7. Григорьянц А.Г., И.Н. Шиганов «Оборудование и технология лазерной обработки материалов».М., «Высшая школа», 1990.

8. Тарасов Л.В. Введение в квантовую оптику. М.: Высшая школа, 1987.

9. Численный расчет температурных полей металлических образцов под воздействием лазерного излучения. Моделирование и оптимизация сложных систем. Вестник Киевского университета, №3, 1984.

10. Ю.Научно-технический отчет «Металлографические исследования материалов, обработанных лазерным лучом» / Звездин В.В., Ильясов Р.Ш., Кондратенко B.C., ВИНИТИ, №5701-В-86, 1986.

11. Алифанов ОМ., Михайлов В.В. Определение тепловых нагрузок по данным измерений температуры в твердом теле//Теплофизика высоких температур. -1983. Т. 21, № 5. - С. 944-951.

12. Термическая обработка в машиностроении: Справочник/Под ред. Ю.М.Лахтина, А.Г.Рахштадта. М.Машиностроение, 1980. - 783 с.

13. Теория и техника теплофизического эксперимента. 2-е изд. перераб. и доп./ Ю.А.Гортышов, Ф.Н.Дресвянников, Н.С.Идиатуллин и др.; Под ред. В.К.Щукина. - М.:Энергоатомиздат, 1993. - 448 е., ил.

14. Управление нагревом металла. Изд. 2-е перераб. и доп./Бутковский А.Г., Малый С.А., Андреев Ю.Н. М.: Металлургия, 1981. - 272 с.

15. Технология термической обработки стали. Лейпциг, 1976. Пер. с нем. М., «Металлургия», 1981. 608 с.

16. Воронов A.A. и др. Основы теории автоматического регулирования и управления. Учебн. пособие для вузов. М., Высш. школа, 1977

17. Гарднер М.Ф., Бэрнс Дж. J1. Переходные процессы в линейных системахпер. с англ. Зубков П.И., Либкинд М.С. М., «Физико-математическая литература», 1981

18. Попов Е.П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления: Учебное пособие. -М.: Наука, 1988

19. АСУ на промышленном предприятии: Методы создания: Справочник/С. Б. Михалёв, Р. С. Седегов, А. С. Гринберг и др. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1989.— 400 е.: ил.

20. Лазерные технологические установки, выпускаемые в странах СНГ: Каталог-справочник/Под. ред. И.Б.Ковша — 2-е изд. Москва: Издательство НТИУЦ ЛАС, 1998 - 114 с.

21. Сванидзе Э.Н., Харлампович О.Я. Технологические лазеры: Экономичность и границы эффективности. М.: Машиностроение, 1990.

22. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 2000.

23. Теория передачи сигналов: Учебник для вузов/А.Г.Зюко, Д.Д. Кповский, М.В. Назаров, Л.М. Финк. -М.: Радио и связь, 1986

24. Бессонов A.A., Свердлов Л.З. Методы статистического анализа погрешностей устройств автоматики. Л., «Энергия», 1974

25. Метьюз Дж.Г., Финк К.Д. Численные методы. Использование MATLAB, 3-е издание.: Пер. с англ. М.: Издательский дом "Вильяме", 2001

26. Самарский A.A. Введение в численные методы. М.: Наука, 1982. 27.3арубин B.C. Инженерные методы решения задач теплопроводности. М.:

27. Энергоатомиздат, 1983. 328 с.

28. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация: Пер. с англ.— М.: Мир, 1985.—509 е., ил.

29. Гультяев А. Визуальное моделирование в среде MATLAB: учебной курс — СПб: Питер, 2000.— 432 е.: ил.

30. Аззам Р., БашараН. Эллипсометрия и поляризованный свет, М.; Мир, 1981. 31 .Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур. М.:Наука.1982.

31. Ржанов A.B. и др. Основы эллипсометрии. Новосибирск; Наука, 1979.

32. Полянский В.К., Рвачев В.П. Оптика и спектроскопия. 1964, с.701.

33. Могилевский ^И.З., Чеповая С.А. Металлографическое исследование поверхностного слоя стали после электроискровой обработки . В кн.: Электроискровая обработка металлов, вып.1. М.:АН СССР. 1957, с.95-116.

34. Ковалев A.C., Попов A.M., Рахимов А.Т. и др. Пробой газа у металлической поверхности импульсом СО-лазера длительностью 10-1000 мкс. Квантовая электроника, т. 12, №4, 1985.

35. А.с.№ 1610706 приоритет от 06.03.90, «Система автоматическогоiуправления лазерным технологическим комплексом» ,/Звёздин В.В., Асанов А.З.

36. Сабиров И.С. , Звездин В.В., Валиахметов P.P. Пути повышения эффективности процесса сварки циркониевых сплавов // Проектирование и исследование технических систем: Межвузовский научный сборник. Вып. 2. Набережные Челны: КамПИ. 2002. С.83-89.

37. Патент №2193168 , Россия, МКИ G01J 4/00 Способ измерения степени поляризации / Зиятдинов P.P., Звездин В.В., Гумеров А.Ф., Сабиров И.С. Заявка №2000118517/28.

38. A.C. № 741188 опубликовано 15.06.80. Бюл. № 22. В.В. Заморский, А.Ф. Прокунцев, Г.И. Шаронов. Способ установления фазового сдвига между двумя гармоническими сигналами одинаковой частоты и устройство, его реализующее. .

39. A.C. №830879, приоритет от 04.01.80 В.В. Заморский, В. J1. Волков, Г.И. Шаронов и др. Устройство преобразования абсолютного изменения комплексных величин в активную величину.

40. A.C. № 849101 опубликовано 23.07.81. Бюл. № 27. B.B. Заморский, А.Ф. Прокунцев, Г.И. Шаронов и др. Устройство сравнения комплексных величин.

41. A.C. № 900193 опубликовано 23.01.82. Бюл. № 3. В.В. Заморский, А.Ф. Прокунцев, Г.И. Шаронов. Фазовый способ формирования воздействий для раздельного уравновешивания компенсационно-мостовой измерительной цепи.

42. A.C. № 957117 опубликовано 07.09.82. Бюл. № 33. В.В. Заморский, А.Ф. Проёкунцев, Г.И. Шаронов и др. Компенсационно-мостовое измерительное устройство, j

43. A.C. № 957118 опубликовано 07.09.82. Бюл. № 33. В.В. Заморский, А.Ф. Прокунцев, Г.И. Шаронов и др. Способ раздельного уравновешивания компенсационйо-мостовых измерительных цепей.

44. A.C. № 970239 опубликовано 30.10.82. Бюл. № 40. В.В. Заморский, А.Ф. Прокунцев. Способ раздельного уравновешивания компенсационно-мостовой измерительной цепи и устройство для его осуществления.

45. A.C. № 1026080 опубликовано 30.06.83. Бюл. № 24. В.В.Заморский, Ю.А.Князев, Г.И.Шаронов и др. Устройство преобразования абсолютного изменения модуля комплексного сопротивления в активный сигнал,

46. A.C. № 1057774 опубликовано 30.11.83. Бюл. № 44. В.В. Заморский, А.Ф. Прокунцев, Г.И. Шаронов и др. Измерительная цепь для передачи информации с Ьращающихся изделий.

47. A.C. № 1095098 опубликовано 30.05.84. Бюл. № 20. В.В. Заморский, В.Н. Колганов, Г.И. Шаронов и др. Устройство для преобразования абсолютного изменения модуля комплексного сопротивления в активный сигнал.

48. A.C. № 1167531 опубликовано 15.07.85. Бюл. № 26. В.В. Заморский, Ю.А. Князев, Г.И. Шаронов и др. Устройство преобразования абсолютного измерения модуля комплексного сопротивления в активный сигнал.

49. A.C. № 1187531 опубликовано 15.07.85. Бюл. № 26. B.B. Заморский, Ю.А. Князев, Г.И. Шаронов и др. Устройство преобразования абсолютного изменения модуля комплексного сопротивления в активный сигнал |

50. A.C. №1244598 опубликован 15.07.86. Бюл. № 26. В.В.Заморский, Г.И.Шаронов. Устройство для измерения параметров пассивного комплексного двухполюсника

51. A.C. № 1330532 опубликовано 15.08.87. Бюл. № 30. В.В. Заморский, Г.И. Шаронов, A.A. Шевченко и др. Способ определения долговечности полимерных материалов.

52. А.С. № 1785071 опубликовано 30.12.92. Бюл. № 48. В.В. Заморский, П.С. Яковлев, Г.И. Шаронов. Преобразователь напряжения в длительность импульсов. j

53. Заявка на патент РФ № 203130610 Россия, МКИ G01J 4/04, G01H 21/44 приоритет от 15.10.2003 г. Способ измерения степени поляризации /Звездин В.В., Заморский В.В., Каримов Р.Б., Кутуева И.В.

54. Ахмадеев И.а! Заморский В.В. Шаронов Г.И. Разработка информационно-измерительной подсистемы для систем автомобильной электроники. Всесоюзный научно-технический информационный центр. Гос. Per РК 01.88.00039867*, 1992 г.