Разработка системы управления установки прецизионной электронно-лучевой сварки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.10, кандидат технических наук Щербаков, Алексей Владимирович

• Щербаков, Алексей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Щербаков, Алексей Владимирович

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.

1.2. Системы управления электронно-лучевыми сварочными установками.

1.3. Формулирование целей и задач исследования.

Глава 2. Разработка структуры и модели системы управления установки электронно-лучевой сварки

2.1. Разработка функциональной схемы системы управления.

2.2. Разработка математической модели электронной пушки.

2.3. Разработка математической модели сварочной ванны.

2.4. Разработка математических моделей исполнительных устройств и датчиков неизменяемой части системы.

2.5. Разработка структуры управляющего устройства и алгоритмов текущей идентификации объектов управления.

2.6. Синтез системы управления установки электронно-лучевой сварки.

2.7. Выводы по результатам исследований, приведенным в гл. 2.

Глава 3. Исследование системы управления установки электронно-лучевой сварки

3.1. Проверка алгоритма текущей идентификации объекта управления.

3.2. Исследование режима пуска системы.

3.3. Проверка системы на устойчивость при влиянии возмущений.

3.4. Выводы по результатам исследований^ приведенным в гл. 3.

Глава 4. Экспериментальные исследования и особенности реализации системы управления установки электронно-лучевой сварки

4.1 .Экспериментальное исследование трехэлектродной термоэмиссионной пушки.

4.2. Идентификация процессов в сварочной ванне.

4.3. Описание реализации разработанной системы.

4.4. Экспериментальное исследование разработанной системы.

4.5. Выводы по результатам исследований, приведенным в гл.4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка системы управления установки прецизионной электронно-лучевой сварки»

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 проплавления к ширине (до 10:1 при «кинжальном» проплавлении), возможность концентрации энергии во всем диапазоне термического I о о 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 поддержания теплового 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:

Заключение диссертации по теме «Электротехнология», Щербаков, Алексей Владимирович

Выводы по результатам исследований, приведенных в гл.4

1. Разработана методика экспериментальных исследований трехэлектродной электронной пушки и сварочной ванны на установке прецизионной электронно-лучевой сварки.

2. Проведены экспериментальные исследования объектов управления системы регулирования тепловой мощности сварочной ванны, выявлены основные закономерности изменения количественных и временных соотношений сигнала тока, проходящего через изделие при варьировании внешних параметров (тока луча, толщины детали, скорости перемещения детали относительно луча).

3. Предложен вариант реализации системы управления тепловым режимом сварочной ванны с использованием промышленной ЭВМ. Разработано программное обеспечение для реализации алгоритма текущей идентификации объекта управления.

4. Проведены экспериментальные исследования системы, реализованной на электронно-лучевой установке, подтверждающие адекватность полученных моделей и работоспособность системы в целом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании анализа особенностей технологии прецизионной ЭЛС сформулированы требования к основным элементам технологического оборудования: электронно-оптической колонне, источникам электропитания, манипуляторам, вакуумной системе. На основе предложенной классификации сделан вывод о целесообразности разработки системы управления тепловым режимом сварочной ванны.

2. Обоснована целесообразность построения' системы импульсного управления параметрами сварного шва по сигналу тока, проходящего^через деталь в процессе воздействия на нее электронного луча, и предложен алгоритм выделения сигнала обратной связи.

3. Разработана модель, системы управления тепловым режимом сварочной ванны, представленная в виде структурной схемы, позволяющая проводить компьютерный анализ и синтез системы в диалоговом режиме.

4. На основе экспериментальных исследований на установке электронно-лучевой сварки, выявлена взаимосвязь между количественными соотношениями! и временными показателями сигнала тока, стекающего с детали (амплитудой, крутизной фронтов), температурой сварочной ванны и геометрическими параметрами шва. Определен интервал и показатели временной зависимости тока /*м, определяющие желаемые геометрические параметры сварного соединения в установках прецизионной электроннолучевой сварки.

5. Разработан оригинальный алгоритм адаптивного управления качеством сварного шва, реализуемый в импульсной системе по сигналу тока, проходящего через деталь.

6. На основании аналитических и экспериментальных исследований доказана реализуемость предложенной системы и возможность достижения требуемых технологических показателей сварного соединения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Щербаков, Алексей Владимирович, 2008 год

1. Айзерман М.А. Лекции по теории автоматического регулирования. 2-е изд., дополн. и перераб. - Л.:Физматлит, 1958. - С.344-466.

2. Акопьянц К.С., Назаренко O.K., Гумовский В:В., Чернякин В.П. Система диагностики электронного луча в установках для электроннолучевой сварки // Автоматическая сварка №10, 2002

3. Аксельрод Ф.А., Гульденбальк А.П., Зайцев М.П. Основы электротехники и электроники: учебное пособие. М.:Профтехизд., 1961.-184 С".

4. Алексеев О.В^, Головков А.А., Митрофанов А.В. и др. Генераторы высоких и сверхвысоких частот: Учеб. Пособие. М.: Высш. Шк., 2003

5. Альтгаузен А.П., Бершитский И.М. и др. Электрооборудование и автоматика электротермических установок:: Справочник. Под. ред. А.П.Альтгаузена и др. -М.:Энергия, 1978.

6. Анашкин А.А.; Фридберг А.Э.; Рубцов В.П.; Ичанский П.Ю. Способ управления процессом электронно-лучевой; сварки и устройство для его осуществления А.С. СССР № 892798 МКИ В 23 К 15/00, опубл. 1996

7. Баранчук Е.И. Проектирование и настройка электронных регуляторов. М.-Л.: Машгиз, 1963. - С.326-346.

8. Бриндли К., Карр Дж. Карманный справочник инженера электронной техники /Пер. с англ. М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2002.-480 С.

9. Васичев Б.Н., Филачев A.M., Чернова-Столярова Е.Е. Особенности сверхзвукового движения в воде и атмосфере пучков заряженных частиц и твердых тел //Прикладная физика №2-3, 1997. С. 6-18.

10. Васютин А.А., Дущенко В.К. и др. Определение закономерностей изменения размерных параметров электронно-лучевой обработки методом планирования факторного эксперимента. Киев, Институт кибернетики^ 1975.

11. Воронов И.П., Кабанова А.Н., Титов В.К. Особенности обработки материалов импульсным электронным пучком мощностью до 10 кВт // Тр. МИЭМ, 1974, вып. 35. С.78-90.

12. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. Методы анализа, лабораторные работы и задачи. Учеб. Пособие для вузов. 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1989

13. Гладков Э.А. Управление процессами и оборудованием при сварке : учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. — М.: Издательский центр «Академия», 2006. — 432 С.

14. Голубков М.П., Кабанов А.Н. О пределах измерений диаметра электронного зонда // Тр. МИЭМ, 1974, вып. 35. С.4-12.

15. Гринфельд Д.Э., Филачев A.M., Фукс Б.И. Исследование зарядки диэлектриков при их импульсной обработке электронным лучом, // Прикладная физика №2-3, 1997. С.24-32.

16. Долбилин Е.В., Макаров. B.C., Лебедев А.К. Расчет на ЭВМ тепловых процессов, в электротермических установках. М.: Издательство МЭИ, 1989.-75 С.

17. Душин С.Е., Зотов Н.С., Имаев Д.Х. и др. Теория автоматического управления: Учеб. для вузов под ред. В. Б. Яковлева. 2-е изд., перераб. - М.: Высш. шк., 2005. - 567 С.

18. Зажигаев JI.C., Кишьян А.А., Романиков Ю.И. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента. М., Атомиздат, 1978.

19. Золотов JI.A. Кабанов А.Н. Влияние геометрической формы сварного соединения на результаты электроннолучевой микросварки //Тр. МИЭМ, 1974, вып. 35. С. 98-109.

20. Кацман Ю.А. Основы расчета радиоламп. —JL: Госуд. энерг. изд.-во, 1952.-С. 69-133.

21. Кисилевский Ф.Н., Бутаков Г.А., Долиненко В:В;, Шаповалов Е.В. Оптический сенсор для слежения за стыком при размерах зазора, близких к нулю // Автоматическая сварка №2, 2003

22. Кисилевский Ф.Н., Долиненко В.В. Объектно-ориентированное программирование систем управления технологическим процессом сварки // Автоматическая сварка, 2001, №5. С. 43-49.

23. Клюйков А.Г., Федоров B.JI;, Гинзбург В.Е. и др. Прецизионная система питания электронно-лучевой^ технологической установки. // Тр. Моск. энерг. ин-та, 1980j вып. 475

24. Козлов А.Н., Гайдукова И:С., Уваев А.Г., Щербаков А.В;, Филачев A.M. Вакуумное технологическое оборудование для производства* изделий микрофотоэлектроники. //Прикладная физика, 2006, №3. С. 32-37.

25. Козлов А.Н., Гринфельд Д.Э;, Щербаков А.В., Филачев A.M. Автоматизированный контроль :технологических параметров вакуумного оборудования как обеспечение непрерывного? контроля качества: //Прикладная физика^ 2006; №3. С. 38-45.

26. Козлов А.Н., Уваев А.Г., Щербаков А.В. и др. Установка для; электронно-лучевой сварки цилиндрических изделий. Патент РФ №68946 МПК В23К15/00, В23К37/04. Опубл. 10.12.2007 г. Бюл. №34

27. Корис Р., Шмидт-Вальтер X. Справочник инженера схемотехника, М: Техносфера, 2006. - 608 С.

28. Кручинин А.М, Махмудов К.М., Миронов Ю.М и др. Автоматическое управление электротермическим установками: Учебник для вузов, под ред. А.Д. Свенчанского М. :Энергоатомиздат, 1990:

29. Лапшин А.Б. Стабилизатор мощности для питания катодного узла электронно-лучевой технологической пушки // Тр: Моск. Энерг. ин-та, 1980, вып.475

30. Лебедев В.К., Кучук-Яценко С.И., Чвертко А.И. и др: Машиностроение. Энциклопедия / Ред. совет К.В. Фролов (пред.) и др. —

31. М.Машиностроение. Оборудование для сварки. Т. IV-6 / Под ред. Б.Е. Патона. — 2-е изд., исправ. 2002. С. 327-369.

32. Лебедев В.К., Шелягин В.Д., Мохнач В.К. и др. А.С. 465844 СССР, МКИ В 23 К15/00. Источник питания электронно-лучевой сварочной установки, опубл. 15.12.79; Бюл №46

33. Майерс Л. Вильям, ЛаФламм F. Электронно-лучевая пайка-сварка крыльчатки компрессора. .Международная конференция «Сварка и соединение 2000». Тр. М.:АО Спецэлектрод, 2000, С. 38-49.

34. Микушин А.В. Занимательно о микроконтроллерах. СПб:БХВ-Петербург, 2006. - 432 С.

35. Муравьев А.Г. Математическое моделирование электронных пушек с катодом произвольной формы. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к. ф.-м. н. М::МФТИ, 2001

36. Назаренко O.K. Следящая система с электромеханическим приводом с использованием вторично-электронной эмиссии // Автоматическая сварка №12, 1998. С. 47-50.

37. Назаренко O.K., Кайдалов А.А., Ковбасенко С.Н. и др. Электронно -лучевая сварка: под ред. Б.Е. Патона. Киев: Наук. Думка, 1987

38. Назаренко O.K., Локшин В.Е. Динамические характеристики высоковольтных источников питания для электронно-лучевой сварки // Автоматическая сварка №1, 2005. С. 36-38.

39. Новиков Ю.В., Калашников О.А., Гуляев С.Э. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC. Под общей редакцией Ю.В. Новикова. Практ. пособие М.:ЭКОМ., 1998 - 224 С.

40. Патон Б.Е., Лесков Г.И. Основы технологии электронно-лучевой сварки (Обзор) // Автоматическая сварка №12, 2003

41. Патон Б.Е., Назаренко O.K., Нестеренков В.М. и др. Компьютерное управление процессом электронно-лучевой сварки с многокоординатными перемещениями пушки и изделия // Автоматическая сварка №5, 2004. С. 3-7.

42. Пирс Дж. Р. Теория и расчет электронных пучков. Пер. с англ. под. ред. М.В. Цехановича. -М.: Сов. Радио, 1956

43. Попков О.З. Основы преобразовательной техники. Автономные преобразователи. Конспект лекций. Учебное пособие. — М.: Издательство МЭИ, 2003. 64 С.

44. Попков О.З. Основы преобразовательной техники. Управляемые сетевые преобразователи. М.:Издательство МЭИ, 2001. 48 С.

45. Попов В.П. Основы теории цепей: Учеб. Для вузов- 5-е изд., стер. -М.: Высш. Шк., 2005.

46. Пупков К.А., Егупов Н.Д., Гаврилов А.И. и др. Нестационарные системы автоматического управления: анализ, синтез и оптимизация / Под. ред. К.А.Пупкова и Н.Д. Егупова. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007.

47. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. М.:Энергоиздат, 1992. -296 С.

48. Рубцов В.П. Исполнительные элементы систем автоматического управления электротехнологическими установками. Учебное пособие. -М.-.Издательство МЭИ, 2001. 56 С.

49. Рыкалин Н.Н, Зуев И.В., Углов А.А. Основы электронно-лучевой обработки материалов. М.: Машиностроение, 1978. — 239 С.

50. Рыкалин Н.Н., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и электроннолучевая обработка материалов. Справочник. — М. Машиностроение, 1985.-496 С.

51. Свенчанский А.Д., Жердев И.Т., Кручинин A.M. и др. Электрические промышленные печи: Дуговые печи и установки специального нагрева: Учебник для вузов, под ред. А. Д. Свенчанского. — 2-е изд., перераб. И доп. М.:Энергоиздат, 1981. - 296 С.

52. Титце У., Шенк К., Полупроводниковая схемотехника: справочное руководство, пер. с нем. М.: Мир, 1983.

53. Филачев A.M., Андреев С.В., Монастырский М.А. и др. Разработка вычислительных методов и пакета прикладных программ для моделирования электронно — лучевых технологических установок // Прикладная физика. №2, 1998. С. 5-18.

54. Хокс П. Электронная оптика и электронная микроскопия, пер. с англ. М.: Мир, 1974

55. Шиллер 3., Гайзиг У., Панцер 3. Электронно — лучевая технология: пер. с нем. М.: Энергия, 1980. - 528 С.

56. Щербаков А.В. Разработка системы управления качеством сварного шва при прецизионной электронно-лучевой сварке. // Вестник МЭИ, 2007, №5. С. 52-58.

57. Щербаков А.В. Разработка системы управления тепловой мощностью прецизионной электронно-лучевой сварки // Восьмой Всероссийский семинар «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики». Тез. докл. М.:ФГУП «НПО «Орион», 2007.-С. 90-91.

58. Щербаков А.В., Гринфельд Д.Э. Математическое моделирование тепловых, газодинамических и эмиссионных процессов взаимодействия* электронного пучка с металлами // Восьмой Всероссийский семинар

59. Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики». Тез. Докл. М.:ФГУП «НПО «Орион», 2007. - С. 100-101.

60. Щербаков А.В., Рубцов В.П. Разработка модели электронной*пушки для прецизионной сварки // Вестник МЭИ, 2007, №4. — С. 60-65.

61. Щербаков А.В., Филачев A.M., Пономаренко В.П. и др. Патент РФ «Устройство для регулирования процесса электронно-лучевой сварки» №64548 МПК В23К 15/00. Опубл. 10.07.2007 г. Бюл. №19

62. Щербаков А.В., Филачев A.M., Пономаренко В.П. и др. Устройство для регулирования процесса электронно-лучевой сварки. Патент РФ №64972 МПК В23К15/00. Опубл. 27.07.2007 г. Бюл. №21

63. Язовских В.М., Трушников Д.Н., Беленький В.Я. и др. Способ электронно-лучевой сварки. Патент РФ 2237557 МКИ В23 К 15/00, опубл. 2005

64. A.N. Kozlov, D.E. Greenfield, A.V. Scherbakov, A.M. Filachev. Automated control of technological parameters of vacuum equipment to guarantee unbreakable quality check. //Proceedings of SPIE, 2006, v.6278, p. 62780 C-l -62780 C-7

65. A.N. Kozlov, I.S. Gaidoukova, A.G. Uvaev, A.V. Scherbakov, A.M. Filachev. Vacuum technological equipment for microphotoelectronic production. //Proceedings of SPIE, 2006, v.6278, p. 62780 A-l 62780 A-5