автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация процесса наведения на стык при электронно-лучевой сварке

На правах рукописи

□034Э1621

Тихоненко Дмитрий Васильевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА НАВЕДЕНИЯ НА СТЫК ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ.

Специальность 05.13.Об - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 1 ФЕВ 2010

Красноярск - 2010

003491621

Работа выполнена в Сибирском государственном аэрокосмическом университете имени академика М.Ф. Решетнева (г. Красноярск)

Научный руководитель

доктор технических наук,

доцент Мурыгин Александр Владимирович

Официальные оппоненты

доктор технических наук,

профессор Ловчиков Анатолий Николаевич

кандидат технических наук, доцент Чубарь Алексей Владимирович

Ведущая организация:

ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева (г. Железногорск Красноярского края)

Защита состоится " 26 " февраля 2010 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.249.02 при Сибирском государственном аэрокосмическом университете по адресу: 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31, зал заседаний совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного аэрокосмического университета.

Автореферат разослан "25" января 2010 г.

/

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Моргунов Е.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) получила широкое распространение в отраслях машиностроения, связанных с производством авиационной и аэрокосмической техники. ЭЛС относится к методам сварки высококонцентрированными источниками энергии, позволяя соединять за один проход металлы и сплавы толщиной от 0,1 до 400 мм, и обладает широкими технологическими возможностями. Значительные достижения технологии ЭЛС достигнуты благодаря разработке принципов автоматического регулирования режимами ЭЛС и созданию систем автоматического направления луча по стыку. Решению этих вопросов посвящены исследования 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., Мурыгин A.B., Бочаров А.Н., Mauer К.О., Нага К., Sasaki S., Anderl Р. и др.).

Следует отметить, что существующие автоматические устройства позиционирования луча по стыку не в полной мере удовлетворяют современным требованиям точности и надежности наведения луча на стык. Причиной этого являются проблемы, связанные с компенсацией различных возмущений, вызванные физическими процессами, сопровождающими ЭЛС, низкая помехозащищенность датчиков измерительных устройств. Поэтому актуальной является задача исследования и разработки новых автоматических устройств обнаружения стыка при ЭЛС, отвечающих требованиям помехоустойчивости, и создание на их основе новых средств автоматизации контроля и систем слежения за стыком.

Цель настоящей работы - разработка средств автоматического позиционирования по стыку на основе помехозащшценных измерительных устройств с рентгеновскими детекторами, внедрение названных средств в производство в составе автоматизированных электронно-лучевых установок.

Задачи исследования;

1. Анализ устройств автоматического обнаружения стыка на основе детекторов рентгеновского излучения.

2. Разработка математической модели автоматического устройства обнаружения стыка, на основе рентгеновских детекторов с узкой и широкой зоной обзора.

3. Разработка программы расчета на ЭВМ статических характеристик рентгеновских детекторов для практического применения модели датчика стыка в автоматизированных электронно-лучевых установках.

4. Разработка метода оценки достоверности сигнала по форме сигнала рентгеновского детектора автоматического устройства обнаружения стыка.

5. Разработка метода автоматического обнаружения ошибки наведения электронного луча на стык деталей по сигналам рентгеновских детекторов с широкой и узкой зоной обзора.

6. Техническая реализация устройства автоматического наведения на стык по сигналам рентгеновских детекторов в составе автоматизированной системы управления ЭЛС.

7. Разработка алгоритмов и программ для устройства автоматического наведения на

стык.

Методы исследований. Результаты и выводы, представленные в диссертации обоснованы математически с использованием аппарата 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 значениях параметров технологического процесса ЭЛС.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана новая аналитическая модель измерительного устройства, позволяющая автоматизировать процесс наведения на стык при ЭЛС, обладающая высокой помехозащищенностью и отличающаяся от известных тем, что положение стыка определяется в результате обработки информации совместных сигналов рентгеновских детекторов с широкой и узкой зоной обзора,

2. Предложен метод оценки достоверности информации полученной измерительным устройством автоматической системы наведения на стык обладающий высокой информативностью за счет применения в качестве информационных параметров относительных коэффициентов, отображающих форму сигнала.

3. Разработан новый метод автоматического обнаружения отклонения стыка деталей от оси электронного луча при ЭЛС по рентгеновскому излучению с поверхности свариваемых деталей, позволяющий повысить точность обнаружения за счет обработки информации совместных сигналов детекторов рентгеновского излучения широкой и узкой зоной обзора их конструкции и форм траекторий сканирования электронного луча.

Значение для теории имеют: аналитическая модель комбинированного рентгеновского датчика стыка, позволяющая определять координаты стыка по рентгеновскому излучению с поверхности свариваемых деталей; математическое обоснование метода оценки достоверности показаний датчика стыка по форме его сигнала.

Практическая значимость работы

1. Разработан комплекс аппаратных и программных средств, реализующих задачу автоматического обнаружения стыка свариваемых деталей при ЭЛС по рентгеновскому излучению с поверхности свариваемых деталей.

2. Создана автоматическая система слежения за стыком при ЭЛС с рентгеновским датчиком стыка.

3. Разработаны и внедрены алгоритмы и программы расчета статических характеристик рентгеновских датчиков стыка, учитывающие способы ориентации датчиков и их конструктивные особенности.

Реализация работы

Разработанная автоматическая система слежения по стыку при ЭЛС внедрена на предприятии ОАО "Красмаш" г. Красноярск. Результаты работы внедрены в учебный процесс Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева по специальности "Автоматизированные системы управления технологическими процессами".

Работа выполнена в Сибирском государственном аэрокосмическом университете 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:

- 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-летшо Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика МФ. 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.)

- Решетневских чтений: XIII Международной научной конференции, посвященном 50-летию Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика МФ. Решетнева. (г. Красноярск, СибГАУ, 10-12 ноября 2009 г.)

Научных семинарах кафедр "Информационно-управляющих систем" и "Информационно-экономических систем" Сибирского государственного аэрокос.мнческого университета имени академика М.Ф. Решетнева, г. Красноярск.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 работ, из которых 2 статьи в периодических изданиях по списку ВАК, 2 статьи в научно-техническом журнале, 4 работы в трудах Всероссийских с международным участием научно-технических конференциях.

Общая характеристика диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложений. Объем диссертации составляет 131 страницу, в том числе 53 рис. Библиография содержит 80 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования и разработки новых устройств автоматического обнаружения стыка деталей на основе рентгеновских детекторов, отвечающих требованиям помехозащищенности, позволяющих повысить качество сварных соединений. Дана аннотация работы, сформулированы задачи исследования и основные результаты.

Глава 1. В первой главе дается обзор устройств автоматического обнаружения стыка, использующих рентгеновские датчики стыка в своей конструкции. Среди известных устройств можно отметить устройства автоматического слежения, разработанные в ИЭС им. Е.О. Патона, Сумском производственном объединении "Электрон", НИИТМе, Воронежском политехническом институте, Сибирском государственном аэрокосмическом университете имени академика М.Ф. Решетнева, а также в зарубежных фирмах "Сиаки" (Франция), "Гамильтон Стандарт" (США), "Герецс", "Штейгервальд" (ФРГ), Мицубиси дэнки", "Итами сэйсакусе" (Япония). Высокая помехозащищенность рентгеновского датчика стыка по сравнению с другими типами датчиков позволила использовать его как в автоматических системах слежения с предварительной записью траектории стыка, так и в автоматических системах слежения за стыком в процессе сварки. Для повышения помехозащищенности датчика автоматические устройства обнаружения стыка в процессе сварки используют коллимированный детектор рентгеновского излучения. В главе рассмотрены детекторы рентгеновского излучения, применяемые в науке и промышленности. На сегодняшний день наибольшее распространение получили полупроводниковые и сцинтилляционные рентгеновские детекторы с фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), также применяются ионизационные камеры, пропорциональные счетчики и активно-пиксельные рентгеновские детекторы. У сцинтилляционных рентгеновских детекторов имеется ряд преимуществ перед другими детекторами, Твердые и жидкие сцинтилляционные материалы в тысячи раз плотнее газов, используемых в ионизационных счетчиках. Соответственно этому значительно возрастают потери энергии ионизующей частицей на единицу длины и сигнала. Кроме того, ФЭУ обеспечивают такое усиление первичного сигнала, которого не достичь с помощью электронных схем. Главной технической проблемой в существующих устройствах является их низкая помехоустойчивость, которая приводит к сбоям слежения по стыку. Поэтому основной задачей является повышение

помехозащищенности за счет использования специальных технических решений и обработки полученной информации.

Глава2. Во второй главе рассмотрена математическая модель комбинированного рентгеновского датчика автоматического устройства обнаружения стыка свариваемых деталей с детекторами с широкой и узкой зоной обзора и метод совместной обработки сигналов детекторов, позволяющий обнаруживать координату стыка.

Возможность контролировать наведение на стык электронного луча по косвенному параметру, рентгеновскому излучению из зоны торможения электронов, основана на том, что плотность рентгеновского излучения с. поверхности обрабатываемого изделия в направлении детектора, пропорциональная плотности тока электронного пучка, в процессе сканирования меняется при пересечении лучом стыка свариваемых деталей. Если при этом установить второй детектор и ограничить зону обзора рентгеновского детектора коллиматором - щелевой блендой из рентгенопоглощающего материала, то при пересечении лучом проекции коллиматора на поверхности деталей можно контролировать координаты оси пучка электронов. Совместное применение детектора с широкой зоной обзора и детектора с узкой зоной обзора позволяет повысить точность наведения электронного луча на стык деталей, дает возможность устранить ошибки позиционирования луча.

При взаимодействии пучка электронов с поверхностью обрабатываемого материала электроны в результате торможения теряют свою энергию. Этот процесс сопровождается возбуждением рентгеновского излучения (РИ). В работах Рыкалина H.H., Лаптенка В.Д., Мурыгина A.B., Бочарова А.Н. было установлено, что плотность тока электронного пучка распределяется на поверхности деталей неравномерно и может быть описана нормальным законом Учитывая это, интенсивность РИ па детекторе можно описать выражением:

J=K-KrZ l -U Г \къ(х,у)-(р{х,у)-гщ>

гг • a у • 2 •"" 1 '

(х-О2 2-ff?

dy-dx,{\)

-• I 1Л,ис. vl■<иlJc. vl■exn ---■ ехи -- ^ г

где ах,су - среднее квадратичное отклонение электронов от центра луча по осям X, У; ех, еу - координаты математического ожидания оси пучка электронов по осям X, У; К=1,5 10"9 В"' - коэффициент пропорциональности; К1 - коэффициент, учитывающий пространственную ориентацию детектора; 1л - ток электронного луча; Ъ - атомный номер материала свариваемого изделия; и - ускоряющее напряжение, <р(х,у) - функция обзора детектора; Кз(х,у) - коэффициент учитывающий неоднородность поверхности стыка деталей.

Если детектор выполнен в виде цилиндра диаметром с)« и расположен на расстоянии

И. от источника излучения, то К, = ———г

4-я-К2

Для детектора с широкой зоной обзора функция зоны обзора (р[х,у) на всех участках траектории сканирования луча равна 1.

Значение коэффициента Кз равно: Къ - ехр! —— | = К,, (2)

^ этр )

где ц - линейный коэффициент, зависящий от материала и ускоряющего напряжения, ф -угол между детектором с широкой зоной обзора и плоскостью свариваемого изделия, 30°<ф<75°, Ь0 - глубина стыкового соединения.

Учитывая (2) в выражении (1) получим интенсивность РИ для детектора с широкой зоной обзора:

'___. ....>

о-41-п _0

ехР

■dx , (3)

где = К-К.1'2-1„-и2 - полное РИ с поверхности деталей, о = с*, 8 = ех.

Выражения (3) позволяют построить статическую характеристику детектора с широкой зоной обзора. На рисунке 1 показана зависимость нормированной интенсивности РИ для детектора с широкой зоной обзора от места положения оси пучка относительно стыка. Расчеты проводились при величине зазора Ьс = 0.3мм, глубине стыка Ь = Змм для различных значений сг/Ас, угла наклона датчика <р = 45°, ц = 0.5 мм .

Рисунок 1 - Зависимость нормированной интенсивности рентгеновского излучения от места положения оси луча относительно стыка для детектора с широкой зоной обзора при Ьс=0.3мм: 1-а=О,5-Ьс;2-а=1-Ьс;3-0=1,5-Ьс;4-ст=2-Ьс.

Схема ориентации детектора с узкой зоной обзора показана па рисунке 2. Детектор с узкой зоной обзора установлен таким образом, чтобы ось проекции коллиматора пересекала ось стыка на расстоянии ук от места сварки (точка О). Формирование сигнала на детекторе идет при сканировании по треугольному контуру. При этом луч пересекает стык по оси X при различных фиксированных значениях координаты по оси У. Процесс формирования сигнала удобно рассматривать в координатах ХОУ. Поместим начало координат на поверхности деталей в точке пересечения оси стыка и оси проекции коллиматора. Направим ось ОУ вдоль оси проекции коллиматора, а ось ОХ перпендикулярно проекции (рисунок 3).

Коэффициент, учитывающий размеры коллимированого детектора, рассчитывается

так: К, = -

Кл -I

(1 -

длина

4 •*(/,+/,)

коллимационного отверстия, 1| - длина коллимационного канала, Ь - расстояние от среза коллиматора до поверхности.

Функция обзора р{х) коллимированного детектора на разных участках траектории

Ь,при-<я<,х<-к112

■ \,при-ък1г<х<кк1г

0,при + \/2<х<ю Коэффициент .^(х, ^учитывающий ослабление

движения луча будет иметь вид:

РИ

коллимированного детектора можно определить как:

где К.

стыкового соединения: у.

из стыкового соединения 1, при -да < у < у, К„прг/у1 <у£у2< \,при уг< у<0о

- границы

коэффициент ослабления, определенный по формуле (2), у1 ,у2

К - - „ К

\У 2 = -х ■ с/^Д +

2 ■ sm.fi

Рисунок 2 - Схема ориентации детектора с узкой зоной обзора.

1 - проекция коллимационного отверстия (зона обзора), 2 - стык деталей, 3 -коллимационное отверстие, 4 - детектор с узкой зоной обзора, 5 - траектория сканирования, 1] - длина коллимационного канала, Ь - расстояние от коллиматора до поверхности, с! - длина коллимационного отверстия, Ь^ - ширина коллимационного отверстия, Ьк - ширина проекции коллимационного отверстия.

Если ст/Ис >1, то с точностью до 3% выражение (1) можно записать так:

Л =

•ехр

где

<у- = сг- - а, у

* V ' ' I

2-а

■м

(4)

W = К-Кг/ЛДГ - полное РИ с

2-5\П0 г 2 • /? ' поверхности деталей.

Выражение (4) можно представить для системы координат ХОУ в виде:

->г =

IV-и,

2-а*

}ехр

(у-£, -у,)-с<к/)У

2-е

5)

где у, =

к

:+У, - границы стыкового соединения.

1-ЪР

Выражение (5) позволяет построить статическую характеристику детектора с узкой зоной обзора. На рисунке 4 показано семейство нормированных характеристик коллимированного детектора полученные, сканированием с различным уровнем

отклонения оси стыка бу от точки О пересечения стыка и проекции коллиматора. Количество отклонений задаётся таким образом, чтобы среднее отклонение проходило через точку пересечения стыка и проекции коллиматора. Расчеты проводились при величине зазора стыка Ьс=0.3 мм, глубине стыка Ь~3 мм, ширине проекции коллиматора Ь«=0.3 мм, у„=10 мм, р=30°, для различных значений ву.

г

у.к

Рисунок 3 - Схема формирования сигнала на детекторе с узкой зоной обзора. 1 - проекция коллиматора, 2 - стык деталей, 3 - проекция оси электронного луча на

поверхности деталей.

Рисунок 4 - Зависимость интенсивности рентгеновского излучения от места положения луча на стыке для детектора с узкой зоной обзора при Ьк=0.3мм, Ьс=0.3мм: о = 0.5-Ьс, 1 - еу=0.5 у„; 2 - еу= 0.7ук; 3 - еу= ук; 4 - еу=1.3ук; 5 - еу=1.5у„; |3=300 На основе обработки совместных сигналов детектора с широкой зоной обзора (рисунок I) и узкой зоной обзора (рисунок 4) можно построить статическую характеристику комбинированного датчика стыка автоматического устройства обнаружения стыка. Статическая характеристика описывает форму сигнала комбинированного датчика в зависимости от координаты положения оси луча на оси X. Для построения статистической характеристики комбинированного датчика необходимо совместить две характеристики интенсивности рентгеновского излучения на детекторах. Для совмещения характеристики графики интенсивности РИ детекторов приводим к общей оси и одному масштабу. Статистическая характеристика комбинированного измерителя получается как результат наложения двух характеристик, переходящих одна в другую в точке их пересечения. В результате получаем двухмодальное распределение, один из горбов которого при перемещении координаты траектории сканирования по оси У перемещается к точке

-1 "МЧЛЧЛ« -1 -и-и-и-Н 0 и II II и 1 М 41 <I И 4

пересечения проекции коллиматора и стыка. При попадании в эту точку кривая принимает форму одномодального нормального распределения. На рисунках 5-7 показан результат

наложения статической характеристики детектора с широкой зоной обзора J = /{ех ) и

и коллимированного детектора без и коллимированного детектора при обзора и коллимированного смещения стыка. смещении стыка вправо. детектора при смещения стыка

влево.

ГлаваЗ. В данной главе рассматриваются вопросы, связанные с получением аналитической модели статической характеристики комбинированного рентгеновского датчика стыка автоматического устройства обнаружения стыка, определение информационных признаков, отображающих форму распределения, а также определение критериев достоверности получаемых информационных данных.

В результате сканирования на комбинированном рентгеновском датчике автоматического устройства обнаружения стыка получаем сигнал, описываемый статической характеристикой, форма которой зависит от положения стыка. Чтобы определить координату стыка необходимо определить форму статической характеристики. Для этого используются вероятностные оценки распределения сигнала. С этой целью статическая характеристика ¿(х) нормируется таким образом, чтобы площадь,

охватываемая этой кривой, была равна 1: А = 1

Закон распределения статической характеристики комбинированного рентгеновского датчика стыка Кх) как функция распределения может характеризоваться

набором признаков ТЛь 11г.....Ц,. Чтобы признаки характеризовали только форму закона

распределения, они должны быть безразмерными и не зависеть от смещения центра распределения. Интегральные признаки проще всего формируются как линейные функционалы от функции .¡(х). В частности, интегральными признаками могут служить моменты распределений и энтропия.

Для идентификации распределений по их форме удобнее использовать

контрэксцесс: . Это первый информационный признак формы распределения

сигнала датчика стыка.

В качестве второго независимого признака формы закона распределения сигнала можно принять значение этропийного коэффициента кэ, который для любых законов

распределения изменяется от 0 до ^/(тг * е)/2 я 2.066 и является функционалом энтропии 2-ст

В качестве третьего информационного признака будем использовать взаимокорреляционную функцию сигналов от детекторов с узкой и широкой зоной обзора:

^(T)=]j(EJ-JK(sx-T)dEx

—со

Бри использовании первого и второго признака изображающая точка с координатами кэ и % будет всегда находиться в пределах прямоугольника, ограниченного значениями кэ от 0 до 2.066 и значениями % от 0 до 1 и называемым полем признаков формы сигнала.

В качестве модели статической характеристики комбинированного рентгеновского датчика автоматического устройства обнаружения стыка можно использовать композицию дискретного двузначного распределения и нормального распределения. Образование такой композиции показано на рисунке 8. Дискретное двузначное распределение в 50% случаев имеет значение х= - а и в 50% случаев - значение х= а. Поэтому композиция его с нормальным распределением складывается из суммы двух нормальных, сдвинутых на ± а относительно центра (на рисунке 8 они показаны с штриховыми линиями) с площадью под каждой из кривых Ji = J2 = 0.5. Суммируясь при каждом из значений х, они и дают кривую плотности такой композиции. Предложенная модель позволяет произвести вычисления значений энтропийного коэффициента кэ и контрэксцесса % для различных форм сигнала комбинированного рентгеновского датчика стыка.

Рисунок 8 - Образование композиции двузначного дискретного и нормального распределений для модели статической характеристики комбинированного рентгеновского датчика автоматического устройства обнаружения стыка.

В процессе сканирования сигнал комбинированного рентгеновского датчика стыка меняет свою форму от дискретного двухзначного до нормального одномодального распределения. При этом точка, отображающая закон распределения статической характеристики комбинированного рентгеновского датчика стыка будет перемещаться из точки 1, соответствующая дискретному двузначному распределению, в точку 2, соответствующую нормальному одномодальному распределению, и обратно (рисунок 9). Точка 2 соответствует пересечению оси стыка детали и оси проекции коллиматора рентгеновского детектора с узкой зоной обзора и может быть использована для определения координаты стыка.

Изображенное на рисунке 9 поле признаков форм сигналов соответствует модели комбинированного датчика стыка при отсутствии помех. Однако при пересечении

электронным лучом стыка деталей рентгеновский детектор с широкой зоной обзора регистрирует изменение интенсивности излучения, вызванное наличием стыка, флкжтуациями ускоряющего напряжения и тока луча, наличием рисок и забоин в окрестностях стыка. Когда уровень помех мал, сигнал от стыка несет в основном информацию о положении стыка. Если уровень помех высокий, а это происходит в случае "пережатия" стыка, попадания луча на прихватку, амплитуда сигнала от стыка на детекторе становиться соизмеримой с амплитудой помехи и сигнал детектора несет в основном информацию о помехе. При этом будет меняться форма сигнала. Чем сильнее действие помехи, тем сильнее форма сигнала будет отличаться от расчетной. Процесс изменения формы распределения сигнала детектора при увеличении мощности помехи также можно контролировать по изменению коэффициентов формы распределения: энтропийному коэффициенту и контрэксцессу, которые определяются по отсчетам сигналов детектора и используются для оценки достоверности.

Рисунок 9 - Поле признаков форм сигналов комбинированного рентгеновского датчика стыка.

Для анализа достоверности принятого сигнала по его форме, нанесем вычисленные значения коэффициентов формы - кэ и % на поле признаков рисунок 10. Кривая, изображенная на рисунке 10 относится к плавным симметричным законам распределения, причем левая ветвь относится к островершинным распределениям. Правая ветвь кривой относится к двухмодальным распределениям с экспоненциальной составляющей а = 2. Начинаясь в точке (с!), она заканчивается в точке (1), соответствующей дискретному двухзначному распределению. Если уровень помехи мал, то распределение сигнала от стыка будет находится на поле признаков вблизи кривой, изображенной на рисунок 10.

В таблице 1 даны значения коэффициентов формы распределения сигнала детектора с широкой зоной обзора, полученные в результате экспериментальных

исследований при различных технологических параметрах ЭЛС. Отображающие распределения точки наносились на поле признаков рис. 10.

2Л

2,0

1,« 1,4

и

1,0 0,8

ал

12^ а 0 / * 1

5 в

7 / и 4 13 ' -Г 14 \ - е

/ 2-. / \

1

\

/ / \

\

/ М

ь\

0,4

0,6

0,8

1,0

Рисунок 10 - Поле признаков распределений сигнала детектора с широкой зоной

обзора.

Таблица 1. Значения коэффициентов формы распределения сигнала рентгеновского

№ серии Ток пучка, 1л, мА С.К.О., ст2-10"1 (мм) Энтропия, Н2, дит Энтропийный коэф-нт, Кк Контрэкцесс, Ъ.

1 30 8.45 3.181 1.424 0.593

2 70 7.684 3.095 1.436 0.564

3 130 8.842 3.206 1.395 0.616

4 30 1.595 1.874 2.043 0.625

5 70 2.318 1.899 1.441 0.71

б 130 2.027 2.094 2.043 0.657

7 2 ' 1.956 2.082 2.05 0.622

8 16 1.812 1.947 1.933 0.513

9 90 1.725 1.921 1.979 0.66

10 40 1.925 2.049 2.016 0.599

И 50 2.064 2.068 1.916 0.519

12 60 2.104 2.136 2.011 0.555

13 137 ' 1.813 1.996 2.03 0.621

14 160 6.817 3.153 1.717 0.649

15 187 6.582 3.163 1.795 0.673

Анализ положения отображающих точек показывает, что большинство из них лежит в окрестностях кривой симметричных распределений с энтропийным коэффициентом кк = 1,9±0.1 и с контрэксцессом х~0.6±0.1. Форма этих распределений может быть признана достоверной. В тоже время, распределение сигнала реализации № 5 имеет явно выраженные две вершины и относится к двухмодальным распределениям. Координату стыка по такому распределению можно определить только с ошибкой. Такую

форму сигнала будем считать недостоверной. Соответствующая этому распределению отображающая точка (5) имеет низкий энтропийный коэффициент (кэг = 1,441) по сравнению с типичным одномодальными распределениями. Распределения реализаций № 14 и № 15 близки к равномерным распределениям. Точное определение координаты стыка по таким распределениям также провести сложно. Такой сигнала можно считать недостоверным.

Для определения координаты стыка используется третий информационный признак взаимокорреляционная функция. Взаимокорреляционная функция строится по полученным сигналам с детекторов. Сигнал детектора с широкой зоной обзора можно

.А.

представить в виде выражения: 1(вх) = —е 2°' ■ Сигнал детектора с узкой зоной обзора

можно представить в виде выражения: .^(е*)»_-_е 2а'■ В этом случае

взаимокорреляционная функция. может быть определена:

Взаимокорреляционная функция будет иметь максимальное значение, если траектория сканирования проходит на таком расстоянии от места сварки, где проекция коллиматора пересекает стык.

Глава 4. В данной главе рассматривается метод обнаружения ошибки наведения на стык, а также функциональная схема, алгоритмы работы и конструкция автоматической системы слежения за стыком.

В автоматической системе слежения в качестве детекторов используются рентгеновский датчик с широкой зоной обзора и коллимированный рентгеновский датчик с узкой зоной обзора. Реализовать сложные алгоритмы обработки сигнала от стыка возможно только с помощью средств вычислительной техники, поэтому в качестве системы управления применяется промышленная ЭВМ, что позволяет снизить число аппаратных средств, реализовать многие функции системы программным путем, повысить в целом надежность системы.

Для обнаружения ошибки наведения луча на стык используется следующий метод. Детектор с узкой зоной обзора ориентируется таким образом, чтобы проекция коллимационного отверстия пересекала стык на расстоянии 10мм от места сварки под углом р = 12° (рисунок 11,12). Для обнаружения стыка электронный луч выбрасывается из сварочной ванны вперед по направлению сварки и отклоняется влево на 2.5мм в исходную точку, из которой производится сканирование по траектории, являющейся прямой линией длиною 5мм и направленной перпендикулярно стыку, после чего электронный луч возвращается в точку сварки. В процессе сканирования электронный луч пересекает участки проекции коллиматора и стыка деталей. Блок регистрации сигналов детектора при этом будет измерять сигналы детекторов с узкой и широкой зоной обзора. Фаза этих сигналов со) и а>2 будет различной. Первое сканирование производится на расстоянии 5мм. Всего делается 31 сканирование на различных расстояниях от сварочной ванны. Траектории сканирования группируются в три отдельных блока, хранящиеся в постоянном запоминающем устройстве, и выбираются в зависимости от величины ошибки наведения определенной при предыдущем сканировании. Если предыдущие измерение показало, что ошибка находится в пределах ±0.5мм (стык в центре), то зона сканирования делится на три участка (рис. 11). На первом (с 1 по 5 траектории) и третьем (с 27 по 31 траектории) участках ошибка наведения Дх будет определяться с точностью 0.1 мм. На этих участках каждое последующие сканирование производится на расстоянии 0.5мм от предыдущего.

Второй участок (с б по 26 траектории) соответствует зоне наиболее вероятного нахождения точки пересечения стыка с проекцией коллиматора. На этом участке каждое последующие сканирование производится на расстоянии 0.25мм от предыдущего и ошибка наведения будет определяться с точностью 0.05мм. Если координата точки сварки и координата стыка совпадают, то при траектории сканировании номер 16, которое производится на расстоянии 10мм от места сварки, фазы сигналов детекторов Ш1 и шг будут совпадать.

Если фазы сигналов сси и сог совпадают на траектории сканирования с другим номером (Ыс), то это означает, что координата стыка не совпадает с координатой точки сварки и ошибка наведения Дх определяется:

Г-0.5+ (N,-6)-0.1, при 1<Ы0 <5 Дх(лш) = |(ИС -16) 0.05, при 6 2 N. 5 26

[0.5 + (N,-26) -0.1, при 27<]МС <31

Рисунок 11 - Схема определения ошибки Дх наведения на стык при Дх = ±0.5мм (стык в

центре).

Если предыдущее измерение показало, что ошибка наведения находится в пределах 0.5мм<Дх<1мм (смещение стыка вправо), то зона сканирования делится на два участка (рисунок 12.а). На первом участке (с 1 по 10 траектории) ошибка наведения Дх будет определяться с точностью 0.1мм. На этом участке каждое последующие сканирование производится на расстоянии 0.5мм от предыдущего. Второй участок (с 11 по 31 траекторию) соответствует зоне наиболее вероятного нахождения точки пересечения стыка с проекцией коллиматора. На этом участке каждое последующие сканирование производится на расстоянии 0.25мм от предыдущего, и ошибка наведения будет определяться с точностью 0.05мм. Ошибка наведения определяется как:

Г(ЫС-11)-0.1, при 1£Ы„ 510 [(N,.-11)-0.05, при 11 <£31

Дх(мм) =

В случае если предыдущие измерение определило ошибку наведения в пределах -0.5мм<Дх<-1мм (смещение стыка влево), то зона сканирования также делится на два участка (рисунок 12.6).

Первый участок (с 1 по 21 траекторию) соответствует зоне наиболее вероятного нахождения точки пересечения стыка с проекцией коллиматора. На этом участке каждое последующие сканирование производиться на расстоянии 0.25мм от предыдущего и ошибка наведения определяется с точностью 0.05мм. На втором участке (с 22 по 31 траектории) ошибка наведения Дх будет определяться с точностью 0.1мм. На этом участке каждое сканирование производится на расстоянии 0.5мм от предыдущего. Ошибка наведения определяется как:

Г(Ыс-21)-0.05, при 1 <Ис <21 Ах(мм) = <

{(Ые-21)-0.1, при 22<1МС <31

Рисунок 12 - Схема определения ошибки Дх наведения на стык: а - смещение стыка вправо 0.5мм<Дх<1мм, б - смещение стыка влево -0.5мм<Дх<-1мм.

Функциональная схема автоматической системы слежения за стыком представлена на рисунке 13.

Система состоит из двух основных блоков: блок выброса луча (БВЛ) и измерительный блок (ИзБ). БВЛ осуществляет вывод луча из сварочной ванны, пересечение лучом зоны обзора рентгеновских детекторов по заданной траектории через СЧ1. Развертка луча производится цифровым генератором по 128 точкам. Координаты траекторий сканирования хранятся в постоянном запоминающем устройстве ПЗУх и ПЗУу. Выбор нулшого блока траекторий сканирования производится через порт ЭВМ подачей нужного кода на счетчик СЧ1. Работа БВЛ синхронизируется частотой питающей сети от генератора ГСС. В блоке ИзБ сигнал рентгеновских детекторов с узкой зоной обзора (КД) и широкой зоной обзора (Д) после преобразования запоминается в оперативном запоминающем устройстве ОЗУ. После заполнения ОЗУ ЭВМ через шинный формирователь ШФ производит считывание информации и последующую ее обработку.

Коррекция положения луча относительно стыка производится через ШД с записью в регистр Р1. Регистр Р1 запускается сигналом 2 с дешифратора ДШ. Далее кодовые комбинации преобразуются в аналоговую форму в ЦАПе с последующим суммированием в усилителе УМ X и отклоняющей системе ОС X.

Аварийный вывод тока луча производится схемой (АВЛ) по команде ЭВМ в случае потери сигнала от стыка или при сбое программы.

Рисунок 13 - Функциональная схема автоматической системы слежения за стыком.

Блок-схема алгоритма работы ЭВМ в составе системы слежения за стыком приведена на рисунках 14-15. Начальная установка заключается в настройке ЭВМ для задания направления обмена информацией. Полученную из ОЗУ измерительного блока информацию ЭВМ хранит в специально отведенной области памяти. Перед началом каждого цикла измерений ОЗУ очищается. После загружается код блока траекторий сканирования. Затем ЭВМ переходит в режим ожидания синхроимпульса сети. Синхроимпульс подается на одну из линий порта ЭВМ с частотой 100 Гц. ЭВМ постоянно опрашивает эту линию и при поступлении синхроимпульса запускает блок выброса луча, организуя подачу сигнала " 1" дешифратором.

Затем ЭВМ переходит в режим ожидания сигнала Тот" от измерительного блока. Этот сигнал поступает на одну из линий порта примерно через 0,1 мс. ЭВМ постоянно опрашивает эту линию и при поступлении сигнала переходит к считыванию информации из ОЗУ измерительного блока. Если сигнал "Гот" через 0,1 мс не поступил, то это означает, что измерительный блок неисправен. С целью распознавания такой ситуации ЭВМ перед началом ожидания сигнала Тот" на одном из своих регистров организует счетчик (С1), работающий на вычитание (блоки 7, 8, 9). В счетчик С1 загружается число и после каждого опроса сигнала "Гот" содержимое счетчика уменьшается на 1. Если измерительный блок неисправен и сигнал "Гот" не поступает, то через 0,15 мс счетчик С1 обнулится, после чего ЭВМ организует индикацию аварийного режима и запускает схему аварийного вывода тока луча.

Если сигнал "Гот" поступает через 0,1 мс, ЭВМ переходит к. считыванию информации из ОЗУ измерительного блока (блоки 13-16). С этой целью ЭВМ по одной из линий порта посылает на счетчик СЧ2 измерительного блока синхроимпульс. После получения синхроимпульса СЧ2 выставляет на адресный вход ОЗУ измерительного блока

код адреса. Данные ОЗУ измерительного блока считываются ЭВМ и перемещаются в отведенную область памяти. Всего считываются 128 чисел, после чего ЭВМ снова переходит в режим ожидания синхроимпульса сети (блок 5). После поступления синхроимпульса организуется новый цикл сканирования и считывания информации. После совершения тридцати одного такого цикла ЭВМ переходит к программе обработки сигналов детекторов (блоки 18-27).

Обработка производится в следующем порядке (рисунок 15): Вначале обрабатывается сигнал детектора с узкой зоной обзора. Для каждой сохраненной реализации сигнала детектора вычисляются информационные параметры формы -контрэксцесс х и энтропийный коэффициент кэ и их среднее значение Хср> кэср .по всем реализациям. После этого средние значения сравниваются с пороговыми значениями. Если кэср = 1,9 ± 0.1, а контрэксцесс Хер = 0,6 ± 0.1, то сигнал считается достоверным.

Затем обрабатывается сигнал детектора с широкой зоной обзора: Показания детектора в каждой Х| точке траектории сканирования усредняются по всем реализациям. Это позволяет уменьшить влияние помех. После этого усредненный сигнал нормируется и вычисляются его информационные параметры формы - контрэксцесс % и энтропийный коэффициент кэ, которые сравниваются с пороговыми значениями. Если кэ = кхр ± 5% и % = ХсР ± 5%, то сигнал считается достоверным.

Рисунок 14 - Блок-схема алгоритма работы автоматической системы слежения. Если сигнал детекторов достоверен, то производится определение смещения Дх стыка. Для этого для каждой траектории сканирования строится характеристика

комбинированного рентгеновского датчика стыка путем совмещения полученных сигналов от детектора с узкой зоной обзора и усредненной в каждой X; точке траектории сканирования сигнала детектора с широкой зоной обзора. Далее высчитываются информационные признаки полученной характеристики, по которым определяется координата стыка.

Если принятый сигнал недостоверен, то в этом случае ЭВМ принимает решение о том, что произошел сбой. Наиболее вероятной причиной сбоя системы слежения может быть наличие прихваток. С целью распознавания этой ситуации в блоке 22 анализируется количество сбоев. Если число сбоев меньше заданного числа п, то процесс слежения возобновляется. Число допустимых сбоев зависит от скорости сварки и длины прихваток.

Рисунок 15 - Блок-схема алгоритма работы автоматической системы слежения

(продолжение).

Конструктивно автоматическая система слежения выполнена в виде отдельного блока. Блок представляет собой промышленную рабочую станцию фирмы Аёуап1ес1т в

Рисунок 17 - Детектор с широкой зоной Рисунок 18 - Детектор с узкой зоной

обзора. обзора.

На рисунке 19 показано размещение детектора с широкой зоной обзора и детектора с узкой зоной обзора на электронно-лучевой установке ЭЛУ - 9.

корпусе которой на специальной крос-плате расположены: плата АЦП и ЦАП. плата ГСС. ГШ. АРУ. измерительного блока и источник питания (рисунок 16).

Для обнаружения стыка используются сцинтилляционные рентгеновские детекторы.

Корпус детекторов выполняется из материала, ограничивающего рентгеновское излучение. Корпус формирует зону обзора датчика. Кроме того корпус несет элементы крепежа датчика для его размещения в вакуумной камере электронно-лучевой установки.

Чувствительным элементом детекторов является сцинтиллятор, представляющий собой цилиндр или таблетку, внутри которого находятся кристаллы соли №.) и Сз.1. активированные таллием. Сцинтилятор преобразует рентгеновское излучение в световые импульсы, интенсивность и частота которых пропорциональны мощности и жесткости рентгеновского излучения. _ ___

Рисунок 16 - Внешний автоматической системы слежения за стыком. На рисунке 17 показан детектор с широкой зоной обзора. На рисунке 18 показан детектор с узкой зоной обзора _____

Рисунок 19 - Вид детектора с широкой зоной обзора и детектора с узкой зоной обзора, установленных на электронно-лучевой установке ЭЛУ-9.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ существующих устройств автоматического обнаружения стыка показал, что наиболее перспективным методом автоматического обнаружения стыка на поверхности деталей является метод, основанный на контроле рентгеновского излучения из зоны обработки с помощью сцинтилляционных рентгеновских детекторов.

2. Разработаная аналитическая модель комбинированного рентгеновского датчика стыка автоматического устройства обнаружения стыка, состоящая из двух детекторов рентгеновского излучения с широкой и узкой зоной обзора, позволяет определять положение стыка деталей по форме статической характеристики, получаемой наложением статических характеристик детекторов и обработанных с помощью созданных программ расчета.

3. Установлено, что характеристика комбинированного датчика автоматического устройства обнаружения стыка имеет двухмодальную форму распределения, если на траектории сканирования проекция коллиматора и стык деталей не совпадают и одномодальную нормальную форму распределения если они совпадают. Для оценки формы статической характеристики, можно использовать информационные параметры: контрэксцесс X: энтропийный коэффициент к, и взаимокорреляционную функцию сигналов детекторов Ч'(т). При изменении координаты траектории сканирования информационные параметры сигнала меняют свое значение от х=К к,=0, Ч*(т)=0, что соответствует двухмодальной форме распределения, до ^=0.58, кэ=2.066, Ч'(т)=тах, что соответствует нормальному одномодальному распределению, и обратно.

4. Установлено, что для оценки достоверности сигнала рентгеновского детектора автоматического устройства обнаружения стыка можно использовать энтропийный коэффициент к, и контрэксцесс х распределения сигнала. Сигнал считается достоверным, если кч=1.9±0.1 их=0.6±0.1.

5. Разработанный метод автоматического обнаружения ошибки наведения эле!стронного луча на стык деталей по сигналам рентгеновских детекторов с широкой и узкой зоной обзора позволяет определять ошибку наведения с точностью 0.05мм.

6. Разработанная автоматическая система слежения за стыком позволяет на основе полученных алгоритмов и программ обнаруживать стык при различных технологических параметрах ЭЛС, записывать и обрабатывать сигналы, получаемые с рентгеновских

детекторов, оценивать достоверность полученных сигналов и работоспособность самой системы.

Основные положения работы изложены в следующих публикациях

1. Тихоненко, Д.В. Рентгеновский датчик стыка для наведения электронного луча в процессе электронно-лучевой сварки [Текст] /В.Д. Лаптенок, A.B. Мурыгин, Д.В. Тихоненко // Сварочное производство, 2006. - № 6. - с. 7 - 13,

2. *Тихоненко, Д.В. Анализ достоверности информации по форме сигнала датчика стыка при электронно-лучевой сварке [Текст] / Д.В. Тихоненко, A.B. Мурыгин// Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. акад. М.Ф. Решетнева / СибГАУ. - Вып. 3 (10). - Красноярск, 2006. - с. 61 - 64.

3. Тихоненко, Д.В. Рентгеновские датчики для систем управления электроннолучевой сварки [Текст] / Д.В. Тихоненко, A.B. Мурыгин, А.Н. Бочаров // Решетневские чтения: материалы VIII Всерос. науч. конф. с междупар. участием/ СибГАУ. - Красноярск, 2004. - с. 80 - 81.

4. Тихоненко, Д.В. Расчет погрешности обнаружения ухода стыка [Текст] / Д.В. Тихоненко, A.B. Мурыгин // Решетневские чтения: материалы IX Международной, науч. конф. / СибГАУ. - Красноярск, 2005, - с. 85 - 86.

5. Тихоненко, Д.В. Система слежения за стыком на рабочем токе при электроннолучевой сварке [Текст] / Д.В. Тихоненко, A.B. Мурыгин // Актуальные проблемы авиации и космонавтики: Материалы Всерос. науч.-практ. конференции (4-9 апреля 2005 г., г. Красноярск): Под общ. ред. С.И. Сенашова; СибГАУ, -Красноярск, 2005. - с. 145 - 147.

6. Тихоненко, Д. В. Автоматическое определение ошибки наведения на стык деталей при ЭЛС / Д. В. Тихоненко // Вестник НИИ СУВПТ : сб. иаучн. трудов. -Красноярск : НИИ СУВПТ, 2008. - Вып. 26. - С. 75-77

7. Тихоненко, Д. В. Автоматическая система слежения за стыком при ЭЛС с рентгеновским датчиком стыка / Д. В. Тихоненко П Вестник НИИ СУВПТ : сб.

• научн. трудов. - Красноярск : НИИ СУВПТ, 2008. - Вып. 26. -С. 78-84

8. Тихоненко, Д.В. Дифференциальный рентгеновский датчик стыка [Текст] / Д.В. Тихоненко // Решетневские чтения: материалы XIII Международной, науч. конф: в 2 ч. / СибГАУ. - Красноярск, 2009. - Ч. 1. - с. 169 - 171.

*- работы по перечню ВАК

Подписано в печать О-Г 20 ¿От. Формат 60x86/16. Объем 1.3 п.л. 100 экз. Заказ №

Опечатано в отделе копировально-множительной техники СибГАУ 660014, Красноярск, пр. им. газ. Красноярский рабочий, 31

Введение.

Глава 1. Анализ методов и средств автоматического обнаружения стыка на основе детекторов рентгеновского излучения.

1.1 Системы автоматического слежения с рентгеновскими датчиками стыка.

1.2 Рентгеновские детекторы.

1.2.1 Ионизационная камера.

1.2.2 Полупроводниковые рентгеновские детекторы.

1.2.3 Пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера.

1.2.4 Сцинтилляционные и черенковские детекторы.

1.2.5 Активно-пиксельные датчики.

1.3 Методы выделения сигнала от стыка.

Глава 2. Комбинированный рентгеновский датчик стыка.

2.1 Особенности формирования рентгеновского излучения от поверхности свариваемых деталей.

2.2 Регистрация рентгеновского излучения детектором с широкой зоной обзора.

2.3 Регистрация рентгеновского излучения детектором с узкой зоной обзора.

2.4 Построение статической характеристики комбинированного датчика по сигналам двух детекторов.

Глава 3. Математическая модель и параметры закона распределения статической характеристики комбинорованного рентгеновского датчика стыка.

3.1 Информационные признаки, отображающие форму распределения статической характеристики датчика стыка на основе энтропийных оценок.

3.2 Аналитическая модель и параметры распределения статической характеристики датчика стыка.

3.3 Определение информационных признаков, отображающих форму распределения статической характеристики датчика стыка на основе экспериментальных данных.

Глава 4. Вопросы технической реализации автоматической системы слежения за стыком.

4.1 Функциональная схема автоматической системы слежения за стыком.

4.2 Алгоритм функционирования автоматической системы слежения за стыком.

4.3 Конструкция.

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) получила широкое распространение в отраслях машиностроения, связанных с производством авиационной и аэрокосмической техники. ЭЛС относится к методам сварки высококонцентрированными источниками энергии, позволяя соединять за один проход металлы и сплавы толщиной от 0,1 до 400 мм, и обладает широкими технологическими возможностями. Значительные достижения технологии ЭЛС достигнуты благодаря разработке принципов автоматического регулирования режимами ЭЛС и созданию систем автоматического направления луча по стыку. Решению этих вопросов посвящены исследования 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., Мурыгин A.B., Бочаров А.Н., Mauer К.О., Нага К., Sasaki S., Anderl Р. и

ДР-).

Следует отметить, что существующие автоматические устройства позиционирования луча по стыку не в полной мере удовлетворяют современным требованиям точности и надежности наведения луча на стык. Причиной этого являются проблемы, связанные с компенсацией различных возмущений, вызванные физическими процессами, сопровождающими ЭЛС, низкая помехозащищенность датчиков измерительных устройств. Поэтому актуальной является задача исследования и разработки новых автоматических устройств обнаружения стыка при ЭЛС, отвечающих требованиям помехоустойчивости, и создание на их основе новых средств автоматизации контроля и систем слежения за стыком.

Цель настоящей работы - разработка средств автоматического позиционирования по стыку на основе помехозащищенных измерительных устройств с рентгеновскими детекторами, внедрение названных средств в производство в составе автоматизированных электронно-лучевых установок.

Задачи исследования:

1. Анализ устройств автоматического обнаружения стыка на основе детекторов рентгеновского излучения.

2. Разработка математической модели автоматического устройства обнаружения стыка, на основе рентгеновских детекторов с узкой и широкой зоной обзора.

3. Разработка программы расчета на ЭВМ статических характеристик рентгеновских детекторов для практического применения модели датчика стыка в автоматизированных электронно-лучевых установках.

4. Разработка метода оценки достоверности сигнала по форме сигнала рентгеновского детектора автоматического устройства обнаружения стыка.

5. Разработка метода автоматического обнаружения ошибки наведения электронного луча на стык деталей по сигналам рентгеновских детекторов с широкой и узкой зоной обзора.

6. Техническая реализация устройства автоматического наведения на стык по сигналам рентгеновских детекторов в составе автоматизированной системы управления ЭЛС.

7. Разработка алгоритмов и программ для устройства автоматического наведения на стык.

Методы исследований. Результаты и выводы, представленные в диссертации обоснованы математически с использованием аппарата 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 значениях параметров технологического процесса ЭЛС.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана новая аналитическая модель измерительного устройства, позволяющая автоматизировать процесс наведения на стык при ЭЛС, обладающая высокой помехозащищенностью и отличающаяся от известных тем, что положение стыка определяется в результате обработки информации совместных сигналов рентгеновских детекторов с широкой и узкой зоной обзора.

2. Предложен метод оценки достоверности информации полученной измерительным устройством автоматической системы наведения на стык обладающий высокой информативностью за счет применения в качестве информационных параметров относительных коэффициентов, отображающих форму сигнала.

3. Разработан новый метод автоматического обнаружения отклонения стыка деталей от оси электронного луча при ЭЛС по рентгеновскому излучению с поверхности свариваемых деталей, позволяющий повысить точность обнаружения за счет обработки информации совместных сигналов детекторов рентгеновского излучения широкой и узкой зоной обзора их конструкции и форм траекторий сканирования электронного луча.

Значение для теории имеют: аналитическая модель комбинированного рентгеновского датчика стыка, позволяющая определять координаты стыка по рентгеновскому излучению с поверхности свариваемых деталей; математическое обоснование метода оценки достоверности показаний датчика стыка по форме его сигнала.

Практическая значимость работы

1. Разработан комплекс аппаратных и программных средств, реализующих задачу автоматического обнаружения стыка свариваемых деталей при ЭЛС по рентгеновскому излучению с поверхности свариваемых деталей.

2. Создана автоматическая система слежения за стыком при ЭЛС с рентгеновским датчиком стыка.

3. Разработаны и внедрены алгоритмы и программы расчета статических характеристик рентгеновских датчиков стыка, учитывающие способы ориентации датчиков и их конструктивные особенности.

Реализация работы

Разработанная автоматическая система слежения по стыку при ЭЛС внедрена на предприятии ОАО "Красмаш" г. Красноярск. Результаты работы внедрены в учебный процесс Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева по специальности "Автоматизированные системы управления технологическими процессами".

Работа выполнена в Сибирском государственном аэрокосмическом университете 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:

- 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.)

- Решетневских чтений: XIII Международной научной конференции, посвященной 50-летию Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева. (г. Красноярск, СибГАУ, 10 -12 ноября 2009 г.)

- Научных семинарах кафедр "Информационно-управляющих систем" и "Информационно-экономических систем" Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева, г. Красноярск.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 работ, из которых 2 статьи в периодических изданиях по списку ВАК, 2 статьи в научно-техническом журнале, 4 работы в трудах Всероссийских с международным участием научно-технических конференциях.

Общая характеристика диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложений. Объем диссертации составляет 131 страницу, в том числе 53 рис. Библиография содержит 80 наименования.

Выводы

1. Разработанный метод автоматического обнаружения ошибки наведения электронного луча на стык деталей по сигналам рентгеновских детекторов с широкой и узкой зоной обзора позволяет определять ошибку наведения с точностью 0.05мм.

2. Разработанная автоматическая система слежения за стыком позволяет на основе полученных алгоритмов и программ обнаруживать стык при различных технологических параметрах ЭЛС, записывать и обрабатывать сигналы, получаемые с рентгеновских детекторов, оценивать достоверность полученных сигналов и работоспособность самой системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ существующих устройств автоматического обнаружения стыка показал, что наиболее перспективным методом автоматического обнаружения стыка на поверхности деталей является метод, основанный на контроле рентгеновского излучения из зоны обработки с помощью сцинтилляционных рентгеновских детекторов.

2. Разработанная аналитическая модель комбинированного рентгеновского датчика стыка автоматического устройства обнаружения стыка, состоящая из двух детекторов рентгеновского излучения с широкой и узкой зоной обзора, позволяет определять положение стыка деталей по форме статической характеристики, получаемой наложением статических характеристик детекторов и обработанных с помощью созданных программ расчета.

3. Установлено, что характеристика комбинированного датчика автоматического устройства обнаружения стыка имеет двухмодальную форму распределения, если на траектории сканирования проекция коллиматора и стык деталей не совпадают и одномодальную нормальную форму распределения если они совпадают. Для оценки формы статической характеристики, можно использовать информационные параметры: контрэксцесс х> энтропийный коэффициент 1сэ и взаимокорреляционную функцию сигналов детекторов Ч'(т). При изменении координаты траектории сканирования информационные параметры сигнала меняют свое значение от %=1, кэ=0, Ч^т^О,' что соответствует двухмодальной форме распределения, до х^О-58, кэ=2.066, ^(т)=тах, что соответствует нормальному одномодальному распределению, и обратно.

4. Установлено, что для оценки достоверности сигнала рентгеновского детектора автоматического устройства обнаружения стыка можно использовать энтропийный коэффициент 1сэ и контрэксцесс % распределения сигнала. Сигнал считается достоверным, если кэ=1.9±0.1 и х=0.6±0.1.

5. Разработанный метод автоматического обнаружения ошибки наведения электронного луча на стык деталей по сигналам рентгеновских детекторов с широкой и узкой зоной обзора позволяет определять ошибку наведения с точностью 0.05мм.

6. Разработанная автоматическая система слежения за стыком позволяет на основе полученных алгоритмов и программ обнаруживать стык при различных технологических параметрах ЭЛС, записывать и обрабатывать сигналы, получаемые с рентгеновских детекторов, оценивать достоверность полученных сигналов и работоспособность самой системы.

1. А. С. 315542 СССР, МКИ В23К 15/00. Устройство для автоматического слежения за стыком Текст. /E.H. Баня, Ф.Н. Киселевский, Г.А. Пантелеенко. -Заявлено 26.1.70; опубл. 01.10.71, Бюл. №29.

2. А. С. 367987 СССР, МКИ В23К 15/00. Способ автоматического слежения за стыком в процессе электронно-лучевой сварки Текст. / Е.К. Баня, Ф.Н. Киселевский, Г.А. Пантелеенко. Заявлено 17.11.70; опубл. 26.01.73, Бюл. № 9.

3. А. С. 478696 СССР, МКИ Б23К 9/10. Комбинированный датчик. Текст. / В.Д. Лаптенок, В.А. Сорокин. Заявлено 02.04.73 ; опубл. 30.07.75, Бюл. № 28.

4. А. С. 499069 СССР, МКИ В23К 9/10. Комбинированный датчик. Текст. /В.Д. Лаптенок, В.А. Сорокин. Заявлено 28.01.74; опубл. 15.01.76, Бюл. № 2.

5. А. С. 499070 СССР, МКИ В23К 9/10. Комбинированный датчик. Текст. / В.Я. Браверман, Б.С. Белозерцев, В.Д. Лаптенок. Заявлено 04.02.74; опубл. 15.01.76, Бюл. №2.

6. А. С. 607680 СССР, МКИ В23К 9/10. Комбинированный датчик. Текст. /Б.Я. Браверман, B.C. Белозерцев, В.Д. Лаптенок и др. Заявлено 12.05.76; опубл. 25.05.78, Бюл. № 19.

7. А. С. 715250 СССР, МКИ В23К 9/10. Комбинированный датчик. Текст. /В.Я. Браверман, В.Д. Лаптенок, В.А. Сорокин и др. Заявлено 08.12.77; опубл. 15.02.80, Бюл. № 6.

8. А. С. 774847 СССР, МКИ В23К 9/10. Комбинированный датчик. Текст. /В.Я. Браверман, В.Д. Лаптенок, B.C. Белозерцев и др. Заявлено 31.01.79; Опубл. 30.10.80, Бюл. № 40.

9. А. С. 804291 СССР, МКИ В23К 15/00. Способ автоматического слежения за стыком при электронно-лучевой сварке. Текст. /Л.Н. Гольдфарб, И.А. Куцаев и др. Заявлено 26.02.78; опубл. 15.02.81, Бюл. № 6.

10. А. С. 810408 СССР, МКИ В23К 9/10. Устройство слежения за стыком свариваемых деталей. Текст. /В.Я. Браверман, В.Д. Лаптенок, В.И. Фомин и др. Заявлено 15.01.79; опубл. 07.03.81, Бюл. № 9.

11. H.A. С. 919822 СССР, МКИ В23К 9/10. Устройство для слежения за стыком свариваемых деталей Текст. / В.Я. Браверман, В.Д. Лаптенок, B.C. Белозерцев и др. заявлено 21.07.80; опубл. 15.04.82, Бюл. № 14.

12. А. С. 1052355 СССР; МКИ В23К 15/00. Способ слежения за линией стыка Текст. / Ю.И. Пастушенко, O.K. Назаренко, В.Е. Локшин и др. Заявлено 14.07.78; опубл. 07.11.83, Бюл. №41.

13. А. С. 1107409 СССР МКИ В23К 15/00. Устройство для совмещения электронного луча со стыком при сварке Текст. / В.Я. Браверман, В.Д. Лаптенок, В.А. Сорокин и др. Заявлено 16.07.80.

14. А. С. 1197271 СССР, МКИ В23К 15/00. Способ наведения электронного луча на стык при электронно-лучевой сварке и устройство для его осуществления. Текст. / H.H. Ефимов, М.Л. Лифшиц, Н.Г. Лобанов и др. Заявлено 31.05.88; опубл. 30.10.88, Бюл. № 40.

15. А. С. 1197272 СССР, МКИ В23К 15/00. Устройство для слежения за стыком при электронно-лучевой сварке. Текст. / В.Я. Браверман, В.Д. Лаптенок, Б.С. Белозерцев и др. заявлено 07.07.83.

16. А. С. 1391834 СССР, МКИВ23К 15/00, 26/00. Способ слежения за стыком при лучевой сварке Текст. / A.A. Солнцев, А.П. Бесчетнов. Заявлено 11.05.85; опубл. 30.04.88, Бюл. № 16.

17. А. С. 1405977 СССР, МКИ В23К 15/00. Способ электронно-лучевой сварки и устройство для его осуществления Текст. / A.B. Мурыгин, В.Я. Браверман, В.Д. Лаптенок. Заявлено 04.01.87, опубл. 30.06.88, Бюл. № 24.

18. А. С. 1450943 СССР, МКИ В23К 15/00. Способ управления электроннолучевой сваркой и устройство для его осуществления Текст. / К.А. Сукач, Ю.Г. Куцап, С.Н. Ковбасенко и др. Заявлено 08.06.87; опубл. 05.01.89.

19. А. С. 1493422 СССР, МКИ В23К 25/00. Устройство слежения за стыком при электронно-лучевой сварке Текст. / В.Д. Лаптенок, A.B. Мурыгин, В.Я. Браверман и др. Заявлено 30.12.87; опубл.15.07.89, Бюл. № 26.

20. А. С. 1608987 СССР, МКИ В23К 15/00. Устройство для слежения за стыком сварного соединения Текст. / A.B. Мурыгин, В.Д. Лаптенок, В.Я. Браверман,

21. B.C. Белозерцев. Зарег. 22.07.90.

22. A. С. 1609584 СССР, МКИ В23К 15/00. Способ контроля процесса электронно-лучевой сварки Текст. / A.B. Мурыгин, В.Д. Лаптенок, А.Д. Тамбовцев, В.Г. Угрюмов. Опубл. ЗОЛ 1.90, Бюл. № 44.

23. А. С. 1700863 СССР, МКИ В23К 15/00. Устройство для слежения за стыком сварного соединения Текст. / A.B. Мурыгин, В.Д. Лаптенок, В.Г. Угрюмов. -27.02.90.

24. А. С. 1834135 СССР, МКИ В23К 15/00. Способ слежения за стыком при электронно-лучевой сварке Текст. / A.B. Мурыгин, В.Д. Лаптенок, В.В. Башенко и др. Заяв. 31.01.90.

25. А. с. 1584265 СССР, МКИ В23К 15/00. Датчик для измерения параметров электронного пучка Текст. / Л.А. Кравчук, Б.П. Бабюк, Ю.И. Пастушенко,

26. C.B. Небесный. Заявл. 22.12.88.

27. А. с. 1594810 СССР, МКИ В23К 15/00. Способ контроля параметров электронного луча.

28. A.c. 1496961 СССР, МКИ В23К 15/00. Устройство для электронно-лучевой сварки./Н.К.Чайка. Заявл. 19.01.88.

29. A.c. 1488100 СССР, МКИ В23К 15/00. Устройство для электронно-лучевой сварки./К.Г.Прилепский, В.И.Киреев, Е.А.Борисов. Заявл. 15.04.87

30. A.c. 1496960 СССР, МКИ В23к 15/00. Способ визуализации стыка и шва при сварке электронным пучком и устройство для его осуществления./ С.В.Дембновецкий, В.С.Ланбин, А.В.Лешинщин Заявл. 03.08.87

31. А. с. 1205416 СССР, МКИ В23К 15/00. Способ определения параметров луча при электронно-лучевой сварке Текст. / H.A. Ольшанский, A.B. Михайлов. -Заявл. 04.01.84.

32. А. с. 862468 СССР, МКИ В23К 15/00. Устройство для измерения диаметра электронного луча Текст. / Г.Г. Комиссаров, A.B. Пертов, В.Н. Шавырин и др. Опубл. 15.06.90, Бюл. № 22.

33. Вентцель, Е.С. Теория вероятностей Текст. / Е.С. Вентцель. М: Наука, 1969.- 576 с.

34. Гоноровский, И.С. Радиотехнические цепи и сигналы Текст. / И.С. Гоноровский Производственно-технический опыт. - М.: Наука, 1966. 4.1. -239 с.

35. Детекторы частиц Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.krugosvet.ru/erc/nauka i technika/fízika/DETEKTORI CHASTITS.ht ml.

36. Исследование помех и синтез оптимальных систем слежения при ЭЛС Текст.: отчет о НИР; исполн.: Мурыгин A.B., Лаптенок В.Д., Сорокин В.А. № ГР 01820092982. - Инв. № 02850060104.

37. Исследование помехоустойчивости рентгеновского датчика стыка в условиях действия случайных и постоянных помех при ЭЛС Текст.: отчет о НИР; исполн.: Мурыгин A.B., Лаптенок В.Д., Браверман В.Я. и др. № ГР 01880068013.-Инв. № 0291044413.

38. Крамер, Г. Математические методы статистики Текст. / Г. Крамер // М.: Мир,- 1976.

39. Корн, Г. Справочник по математике Текст. / Г. Корн, Т. Корн; пер. с .англ. -М.: Наука, 1984.- 832 с.

40. Кривенков, В.А. Некоторые пути повышения точности и надежности сканирующих следящих систем для ЭЛС Текст. / В.А. Кривенков, А.Г. Кроз, Ф.Н. Рыжков, И.П. Щербинин // Сб. трудов Воронежского политехи, ин-та

41. Автоматика. Автоматизация измерений". Воронеж, 1971. - вып. 3. - с. 141 -148.

42. Лаптенок, В.Д. Управление электронно-лучевой сваркой Текст.: Автореф. докт. диссертации: 05.13.01, 05.13.07 / Сибирская аэрокосмическая академия, -Красноярск, 1997.

43. Мельник, И.М. Оптимальное по качеству наведение электронного луча на стык свариваемых изделий Текст. / И.М. Мельник, В.И. Сидоренко, A.B. Гущин // Адаптивные системы автоматического управления. Киев, 1986. - № 14.-с. 40-42.

44. Мурыгин, A.B. Разработка помехозащищенных измерительных устройств определения положения луча относительно стыка при ЭЛС Текст.: Автореф. канд. диссертации: 05.03.06 / A.B. Мурыгин. Ленинградский технический университет, - 1991.

45. Мурыгин, A.B. Автоматизированная система управления электронно-лучевой сваркой (АСУ ЭЛС) Текст. / В.Д. Лаптенок, A.B. Мурыгин, Ю.Н. Серегин, C.B. Балайтисов // Технология машиностроения, 2002. № 4. - с. 52 - 54. ISSN 1562-322х.

46. Мурыгин, A.B. Закон распределения вероятности величины ухода стыка при электронно-лучевой сварке Текст. / A.B. Мурыгин, C.B. Балайтисов //

47. Материалы ГХ Международной, науч. конф. посвящ. 45-летию Сибирского государственного аэрокосмического университета им. акад. М.Ф. Решетнева (10-12 нояб. 2005, г. Красноярск) / СибГАУ. Красноярск, 2005. - с. 261.

48. Назаренко, O.K. Измерение параметров мощных электронных пучков методом вращающегося зонда Текст. / O.K. Назаренко, В.Е. Локшин, К.С. Акопьянц // Электронная обработка материалов. 1970. - № 1. - с. 87 - 90.

49. Новицкий, П.В. Оценка погрешностей результатов измерений Текст. / П.В. Новицкий, И.А. Зоограф // 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1991. - 304 с.

50. Пат. 2087114 Франция, МКИ В23К 15/00. Способ и устройство слежения за стыком при электронно-лучевой сварке Текст. /Ф. Корсель, Ж. Анжели, Ж.-П. Делор. Опубл. 31Л2.71.

51. Полупроводниковые детекторы Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.narod.ru/radiometr.files/L2 2.pdf.

52. Полянский, П.В. К вопросу измерения распределения плотности мощности сварочных электронных пучков методом прямого края Текст. / П.В. Полянский, В.Н. Ластовиря // Физика и химия обработки материалов. 1989. -№5. -с. 122- 126.

53. Полянский, П.В. Электроника БК 0010 в системах исследования объектов с распределенными параметрами Текст. / П.В. Полянский // Микропроцессорные средства и системы. - 1989. - № 3. - с. 58 - 60.

54. Принцип работы и устройство активно-пиксельных датчиков Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.keldysh.ru/papers/2003/prep85/prep200385.html.

55. Разработка средств следящего и программного управления электроннолучевой сваркой Текст.: отчет о НИР; исполн.: Мурыгин A.B., Лаптенок В.Д., Сорокин В.А. и др. № ГР 80027671. - Инв. № 02850060105.

56. Рентгеновские лучи Текст.: Пер. с англ. и нем. Л. Н. Бронштейн. М.: Изд. иностр. лит, 1960.

57. Рыкалин, H.H. Основы электронно-лучевой обработки материалов Текст. / H.H. Рыкалин, И.В. Зуев, A.A. Углов М.: Машиностроение, 1978. - 239 с.

58. Таблицы интегралов и другие математические формулы Текст. / Г.Б. Двайт -М.: Наука, 1983.- 176с.

59. Тихоненко, Д.В. Рентгеновский датчик стыка для наведения электронного луча в процессе электронно-лучевой сварки Текст. / A.B. Мурыгин, В.Д. Лаптенок, Д.В. Тихоненко // Сварочное производство, 2006. № 6. - с. 7 - 13, ISSN 1562-322х.

60. Тихоненко, Д. В. Автоматическое определение ошибки наведения на стык деталей при ЭЛС / Д. В. Тихоненко // Вестник НИИ СУВПТ : сб. научн. трудов. Красноярск : НИИ СУВПТ, 2008. - Вып. 26. - С. 75-77

61. Тихоненко, Д. В. Автоматическая система слежения за стыком при ЭЛС с рентгеновским датчиком стыка / Д. В. Тихоненко // Вестник НИИ СУВПТ : сб. научн. трудов. Красноярск : НИИ СУВПТ, 2008. - Вып. 26. -С. 78-84

62. Тэрэда, Ура. Исследования способа обнаружения границы проплавления при электронно-лучевой сварке Текст. / Ура Тэрэда: Перев. с япон. ТТП Москвы № 19263 от 29.11.87.

63. Управление электронно-лучевой сваркой Текст. /В.Д. Лаптенок, A.B. Мурыгин, Ю.Н. Серегин, В.Я. Браверман. Красноярск: CAA, 2000. 234 с.

64. Хара, К. Новая машина для электронно-лучевой сварки с программным управлением Текст. / К Хара: Перев. с япон. ВЦП № М-03755 от 20.03.86.

65. Хара, К. Установка для электронно-лучевой сварки с программным управлением от ЭВМ для авиационной промышленности Текст. / К Хара и др: Перев. с япон. ВЦП № М-03756 от 12.02.86.

66. Хараджа, Ф.Н. Общий курс рентгенотехники Текст. / Ф.Н. Хараджа, М. JL: Энергия, - 1966, 560с.

67. Харкевич, А.А. Избранные труды в трех томах Текст. В 3 т. Т. 3 / А.А. Харкевич М.: Наука, 1973. - 524 с.

68. Электронно-лучевая сварка Текст. / O.K. Назаренко, А.А. Кайдалов и др. Под ред. Б.Е. Патона. Киев: Наук, думка, 1987. - 256 с.

69. Mauer, К.-О. Systeme zur Strahl-stob-positionierung beim Electro-nenstrahlschweiben Текст. / K.-O. Mauer // Schweibtechnik, 1982, T.32, № 8, s. 368 373.

70. Muller, M. Electron beam welding a fully automatic welding process Текст. / M. Muller // Dev. Innov. Improved Weld. Prod. I-st Int. conf., Birmingham, 13-15 sept., 1983. Abington, 1984, p. 32/1 - p. 32/8.

71. Pat. 1585918 Great Britan, MKU B23K 15/00. A method of setting a path for a charge carrier beam of charge carrier beam apparatus and charge carrier beam apparatus with means for carrying out the method Текст. / W. Scheffels. Publ. 11.03.81.

72. Sasaki, S. Automatic Weld Lina Sensing and Work Positioning for Electron Beam Welding Текст. / S. Sasaki, H. Murakami, T. Iwami, S. Yasunaga // IIW DOC. 4368-84 (1984).