автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Оптоэлектронные устройства в системе управления по высшей производной станками для сварки инструментальных сталей

^ #

Па прапах рукописи

Лифорснко Роман Викюроппч

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ НО ВЫСШЕЙ ПРОИЗВОДНОЙ СТАНКАМИ ДЛЯ СВАРКИ ИНСТРУ МЕ11ТЛЛЫ1ЫХ СТАЛ ЕЙ

специальность 05.13.05. "Элементы и устройства пы числи 1елыюп техники и систем упраиления""

Автореферат ;и1сссрт а1ши на соискание ученой степени кандидата технических наук

I киючеркасск, 1998г.

Работа выполнена в Ставропольском и Новочеркасском 1 "осударственнм технических Университетах

Научный руководитель - действительный член Междупа]

академии паук высшей п докт ор технически: профессор Г.М. Во, 11аучный консультант - кандидат технически?

доценг А.Н.Р

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

лауреат премии Сонета Министров СССР Фандее!

кандидат технических наук Горчака

Ведущее предприятие: АО "Ставропольский инструментальный :

г. Став£

Защита состоится " 17 " ¿1 уугз с, /Ц, 1998 года в 10 час, на засе специализированного Совета К.063.30.04 при Новочеркасском Государств техническом университете по адресу: 346400, г. Новочеркасск Ростовской обл., ГСП Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новочерка! государственного технического университета.

Автореферат разослан " ¿4 " С^-с/». сли»>_199 $ г.

Ученный секретарь специализированного Совета канд. тех. наук, доцагг

Л.Н.Иванченко

Актуальность рпботы. Большой вклад в па\к\ но силковой сварке ]:!icu:iи пые школы Киевского института электросварки им. Г.О.1 larona, Московскою inyia стали и сплавов п др. Ведущая роль и науке по спорки сталей вообще и. в ности но стыковой сварке, принадлежит ученым Патопу И.О. Глебову JI.B., Гуляеву , Дятлову 13.11.,' Крочииу А Д., Казакову И.Ф.. Кодакову U.C.. Кугук-Яценко С.И., :деву В.К.. Мусину Р.Л.. Никорову Г.Д.. Николаеву Г.Л., 11икифорову Г.Д., Покрасову , Саха)ршму Г. 11. и др.

Проблемы автоматизированного контроля и управления бысфоирот екающими юлогическнмн процессами, к которым относится и технология стыковой сварки, а ке проблемы создания инвариантных сле.чящих приводов, решались такими учеными, Бессекерский В.Л., Попов li.II.. JIaKoia П.Д., Дятлов В.П., Ловля Д.Д., Кудимов В.Д.. эв U.C.. Яворский В.П., Иванов В.II., Белов 13.М., Бессонов Д.Д., Зайцев Г.Ф., эгаев Д. Д.. Потапов A.M., Gordon 11.Р., l'oihcst R.G. н др.

Известный вклад i! разработку элементной базы СУ быстропрот екающими юлогическими процессами внесли такие ученные, как Зверев А.Г., Максимов ., Мясников В.Д., Занельман MA. Кошохов II.К., Курицкий А. А., Преснухнна JI.II., роднюк В.Т., Фапдеев Ii.II., Петраков В.Д., Горчаков В.В. и др.

13 настоящее врем;! хорошо реализован коп фоль циклов рабопл сварочных ■ автоматов для хорошо свариваемых сталей. Одним из используемых методов сварки :лий в стык является сварка «плавлением. Данный метод основан па разогреве металла тыке до температуры плавления за счет непрерывного процесса оплавления и тствни короткого замыкания. Процесс закапчивается сжатием заготовок после шап.чения отведенною припуска. Метод контроля заключается в определении начала Тесса непрерывного оплавления с последующим отключением сварочного тока.

При сварке инструментальных сталей на сплкосварочиых полуавтоматах ройка па квазиотимачьный режим осуществляется в настоящее время юримешальным подбором нерегулируемых во время сварки значении таких тметров. как давление предохранительных клапанов на насосных станциях ттчнков, напряжение сварочного тока, проходное сечение регулировочных дросселей диве силовых цилиндров. Пз-за случайных отклонений этих управляющих параметров аданных значений в результате загрязнения рабочей жидкости, колебаний напряжений ти, из-за нестабильности химсостава инструментальных сталей появляются дефекты в j непровара, выплеска, микро-трещин и т.д. Без оперативного контроля парамефов жи недостаточно эффективна работа системы управления но заранее установленным аметрам. Брак, например, на ДО "Ставропольский инструмешальный завод" авляет до 15%.

Оперативное управление движением кареток практически невозможно из-за ыпон их инерционности. Чтобы предотврати, отставание карегки с привариваемой шью при оплавлении стыка необходимо предварительное поджатие деталей с усилием (К) II. Противодействие сил давления в поднпоковых полостях при непо.твнжной Л'ке практически равны нулю. 13 момент резкого снижения сил \Т1р\то-пласгической ормацни происходит рывок движения каретки и связанный с ним выплеск част шавленного металла из сварочного валика. Предотвратить нот рывок можно только |Лироваиием напряжения сварочного тока в процессе оплавления стыка деталей, [ало лого рывка можно определил, только но третьей производной перемещения ¿тки.

Известны работа ученых в облает использования выс1Ш1\ производных в технологическими процессами Жуковского U.E., Сомова О.И., Раевского H.H., Суббот! М.И., Суботина В.М., Кузнецова Ю.И., Сигалова JI.M., Цибизова Л.Н., Водяника Г. Сидоренко С.Л. и др.

Использование в управлении третьей производной перемещения вызывает у мно ученных возражение, из-за "шума".

Последовательное днфферснцировшшс разностей перемещений, скоростей ускорений приводит к большим погрешностям из-за относительно большого значения i Понятие "шум" связано не с третьей производной, а с некорректным дифференцирован! разности ускорении и отсугствием достаточно точных первичных преобразовате ускорений. Поэтому возникает проблема создания дня СУ стыкосварочных полуавтома практически безинерционных устройств для измерения с большой точностью рывков ci (третьих производных перемещения).

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Создать оитоэлектронное устройство контроля динамики сва по третьей производной перемещения и коррекции напряжения сварочного тока стыкосварочных полуавтоматов.

НАУЧНАЯ ИДЕЯ РАБОТЫ

Контролировать по третьей производной перемещения изменения результирую1 силы сжатия стыка и период оплавления и сварки стальных деталей. Управление свар

вести по закону X => 0 за счет изменения нанряжешш в первичной цени ciuioi трансформатора.

Регулирование нанряжешм осуществлять таким образом, чтобы сопротивле унруго-ичасгической деформации припуска на сварку с ростом температуры спижа! плавно, а температура в стыке к концу сварки доспала заданного значения.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ И ИХ НОВИЗНА:

-предлагается в качестве кртсрия оценки процесса сварки принимать отиошс сварочной мощности (Н*м/с) к разогреваемой до плавления массе металла (Н*с2/м) величине перемещения привариваемой детали гидравлическим нодатчиком В резуль: пластической деформации (м), иначе говоря, сварочная мощность должна б пропорциональна третьей производной обобщенной координаты гидравличеи податчика;

-предлагается оитоэлектронное устройство, состоящее из первич! онтоэлектронного преобразователя перемещения, вычислительного блока мульттшликатора, отличающееся от известных возможностью получения выи производных при очень малых скоростях перемещения;

-тарировка онтоэлектронных первичных датчиков проводится на специш созданном стенде с центрально-кулисным механизмом, отличающимся от извеет стендов тем, что поступательное движение ползуна, преобразуемое во вращатеш движение первичного преобразователя, описывается строгой тригонометрической фуша от утла поворота кривошипа, дифференцируемой неограниченное число раз;

-предложен (в соавторстве) метод составления дифференциальных уравпе движения, начиная с дифференциального уравнения для рывка, т.е. для тре производной перемещешш, и тройного интегрирования для получения значений ускоре: скорости и перемещения.

ПЛ ЗАЩИТУ НЫ1ЮСЯ1СЯ:

-оитопектронпое устройство, состоящее из первичною ото электронного :образователя перемещения, вычисли ю.тыюго блока н мулы инлпка! opa, а ьткже метод ¡рерышюго определения текущего значения третьей нроизподпои.

-принцип автоматического управления технологическим процессом аыковой рки инструментальных сталей, заключающийся в том. что по текущему значению тьей нроизво;шоп перемещения подагчпка станка регулнруекя сварочная мощное п> ем изменения напряжения первичном цепи сварочной) трапсформаюрп но ■оделенному закону;

-метод и стенд для тарировки оптопектроиных устройсп! замера третьей нзводной линейных перемещении, динамическая погрешность которого нейтраличуе|ся тпчепием момент пнерщш диска с кривошипом:

-адекватные физическим объектам математические модели тарпровочною стенда гыкосварочпо! о полуавтомата СИ-124 с системой управления сварочной мопшосп.ю по ным оптоттекгрошюго устройства, позволившие установить закономерности появления ка при сварке нпструмешалыгых cia.Teií п оппшишровап» параметры охлект ройного устройства по минимуму погрешности:

-результаты жеперимешальных исследований рабош ото мекцмчшых уарой-в системе автоматического управления стыкосварочною скшка полуавтомата в адских условиях при сварке деталей измерительного инструмента;

-оптимизация параметров omovieKiponiioro устройства методом динамическою граммирования.

Лосто!31-;р[юст]> пс)луч]-;ппых г^зульгато!'» с)1.];с[1]-:ч1излн']ся:

-корректным использованием фундаментальных положений юорпн управления, лит машин и механизмов, теоретической механики, теории i идро-ппевмоав тома тики и ^одшшмикп;

-широким применением маюмашческого моделирования физических процессов машинных женерпмешов с целью апалта и спи теш споем управления с 1ческими первичными преобразователями. Адекватное и> матемашческих моделей ическим обьектам проверялась по критериям достоверности и со: ласня.

-применением высокоточных измерительных приборов. прошедших госу-л пенную проверку. Тарировочный стенд оснащался приборами класса 0.5:

-хорошей сходимостью результатов исследования на фишческих и ;матических моделях. Расхождения результатов не превышают 2...4%. НАУЧНАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАГОТЫ состоит:

-в установлении закономерностей изменения погрешности замера производной >ть до возникновения '"шума" при изменении параметров онюэлектронного устройства;

-в установлении закономерности выплеска металла из сварочпою валика при не ротируемой силе yupyi о-нласшческой деформации до установления постоянной юети движения каретки:

-в разработке (в соавторстве) метода составления дифференциальных уравнений копия, начиная с ^дифференциального уравнения ятя рывка, т.е. для третьей i3Bo;uioii перемещения, и тройного интегрирования для получения значении ускорения, ости п перемещения, который позволит снять вопрос о погрешностях произво;шых в льтате искусственного диффереицнровашш перемещения по времени.

1 ФАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОС ТЬ РАБОТЫ состоит в том, что решена слож техническая задача по снижению брака при изготовлении измерительного инструмента специализированных заводах, а также в том, что математическая модель СИ-124 с ОГГЭ программное обеспечение используется для расчета параметров СУ;

ВНЕДРЕНИЕ НАУЧНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТ

Результаты диссертационной работы внедрены на АО "Ставрополье инструментальный завод" в СУ сгыкосварочной машины СИ-124. Брак был снижен с 1 до 3%. Повысилось качество сварного шва на всех изделиях.

Результаты диссертационной работы используются также в учебном процессс кафедре "Технология машиностроения" в лекционных курсах "Автоматиза производственных процессов " и " САПР в машиностроении". АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные результаты и положения проведенных исследовании докладывалис обсуждались на четырех научно-технических конференциях в Ставропольском Новочеркасском государственных технических университетах:

- "Лейбниц-мыслитель, философ, человек" к 350 летшо со дня рождения. -2( февраля 1996 г., г. Ставрополь;

-XXVII научно-технической конференции но результатам нау1 исследовательской работы профессорско-преподавательского состава аспирантов студентов за 1995г., -26-28 марта 1996 г., г. Ставрополь;

-научно-технической конференции по результатам научно-исследовательс работы ирофессорско- преподавательского состава, аспирантов и студентов -15-21 ал{ 1997 г., г. Новочеркасск;

-Всероссийской научно-технической конференции «Новые техиолс управления робототехническими и автотранспортными объектами» Ставрополь 2' ноября 1997г.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пята разделе заключения, изложенных на 145 страницах Машинописного текста, включая 60 рисунке таблицы, сш1сок литературы из 90 наименований. Диссертация имеет 4 приложения.

Содержание работы

В нерпой главе критически рассмотрены работы ведущих институтов и извест ученых в области сварки инструментальных сталей и СУ стыковой сварки отечествен станков. При сварке инструментальных сталей на стыкосварочных полуавтоматах настрс на квазиоптимальный режим осуществляется в настоящее время экспсрименталы подбором нерегулируемых но время сварки управляющих параметров. Из-за случай отклонений управляющих параметров от заданных значений появляются дефекты в г неировара, выплеска, микро-трещин и т.д. Брак, например, па АО "Ставрополье инструментальный завод" составляет до 15%.

На рис.1 приведена схема стыкосварочного полуавтомата СИ-124. Пунктир рамкой обведено разработанное автором и реализованное в этом полуавто? онтоэлектронное устройство (ОПЭУ) для кмггроля н управления перемещением карел момента оплавления стыка и до момента отключения сварочного трансформатора, установки ОПЭУ управление осуществлялось настройкой сопротивления дросселя на сл максимального давления Р на насосном агрегате и напряжешь в первичной цеш! сило: трансформатора.

Чюбы обеспечить единичный контакт и предотвратим, отаавапие каретки с «начинаемой деталью при онланлеиии силка, предварительное поджаше дет.тей сшгает 50000 II. Прошводеиствпе сил давления и подппоковой потости при подвижной каретке практически рашю пулю. В мо.меш ре ¡кою снижения сил упрую-асшческой деформации происходи! рывок движения карежп и свячапний с ним шлеек части расплавленною металла in сварочной» валика. Tío видно m уравнения нжепня .V = (/•»« - Fan) i int ■ Движутиая сила ГЛР - по iидравлическая пружина с влением 2.2 МНа со стороны поршня и пулевом проптодейсшпп со стороны инока, атическая сила сопротивления 1-е, припуска при дос жжения темпера! у ри оплавления сче шет". Возникает большой скачок силы.

Па основе анализа проблемы снижения брака при сварке инарумешальпых алей сделаны следующие основные выводы:

ГБез оперативного кон ¡роля и регулирования управляющих параметров возможно отстраиваться от случайных вочмущепий процесса сварки.

¿.Гидравлический нодатчпк с массой до 100 кг. не может бьпг. объемом рпвлепня при длительности процесса сварки О.2--0.-4 сек.

^.Предотвратить р]лвок силы можно только плавным снижением 1;ст 'а счет гулировапия напряжения первичной силовой цепи трансформатора. i.e. >.а счет i улнровапия тока.

•Шри быстропротекакчцем процессе сварки кош роль рывка силы можем уществляться только бечиперциоиним ( он ш пек тронным ) устройством по третьей •отводной перемещения.

Для достижения поаавлешюй в работе цели нужно решшь следующее чадами.

I .Определшь требования к устройствам СУ сварочных полуавтоматов.

2.Разработать оптшлектронное устройство дтя контроля рывка сит (ipeibeii »отводной) и управления напряжением первичной ситовой цепи трансформатора.

3.Ввести в СУ стыкосварочио! о полуавтомат оперативное управление пряжением ситовой цепи сварочною трансформатора па баче опт о пемроппо! о фойства и реализован» управление в нрои ¡водственных условиях.

•(.Разработан, мешдику отнмичаююпного расчет нпрамефов оптохтекфонних фойств по минимуму погрешностей, как основу дтя ра'зрабоиси в д.тльнешнем (.'AI 11' Г)У.

Во шорой главе рассмотрен аыкоеварочный полуавтомат CI1-I2-I. една-значешилп для стыковой сварки изделий сечением не Солее 30(1 мм".

Гидропривод (Л 1-121 (см. рис.1) обеспечивает движение каретки с постоянной ороетыо дтя четырех значений: быстро вперед, мед!енно начад. медтенно вперед, icipo начад. Выполнение циклов сварки обеспечено члектрнческой схемой, -.обешюстыо системы управления является использование обра i пой святи дтя уществления процесса подо!рева и начала оплавления при появлении устойчивою птакта. Данная связь устанавливает контроль над контактом свариваемых -заготовок. И оцессе получения контакта система управления обрывает тту связь, что приводит к рьтообразиому плавлению контктов изделий. По мере разо]рева торцов изделий нгакт -заготовок принимает устойчивый характер, что и служи i началом процесса давления. IIa рис.5 покачана осциллограмма (кривая 2) изменения сварочного тока на луавтомате CI I-12-1 при сварке в проичводетвенных условиях.

Процесс 01шши1еш1Я является самим ответственным этапом в получ< качественного сварного шва. На данном станке этот процесс не контролируется, а то определяется заданными начальными параметрами.

Па основе анализа работы СУ стыкосварочных полуавтоматах сделаны следук

выводи.

1. Устройства должны быть чувствительны к малым скоростям перемещения кареле 0.005 до 0.05 м/с.

2.Скростной КПД мультипликаторов (из-за люфтов в зубчатых передачах изменении направления скорости) должен быть не менее 0.96.

3. Точность считывания информации первичным преобразователем должна быт менее 0.97 и не зависеть от емкости и индуктивности электрических схем.

4. За время непосредственной сварки ( 0.2 ...0.4 с ) должно осуществляться не мене коррекции напряжения сварочного тока с учетом приведенной индуктивности свароч трансформатора.

5. Интегральная погрешность устройства при определении плавности хода (трс производной перемещения) должна быть не более 10%.

6. Вычислительные операции в устройстве Но точности и быстродействию дол соответствовать требованиям, предъявляемым к микропроцессорам.

7. Устройство должен быть устойчиво к вибрациям в диапазоне частот от 10 до 250Г

Во второй главе доказано расчетами, что требования реализуемы. Найдены об.1 значении параметров ОГЮУ, удовлетворяющие сформированным требованиям.

В третьей главе проведешя исследования с целью выбора способа пострс оптоэлектропного устройства высших производных обобщенной координаты п тарировке. В оптоэлектронном устройстве применена схема иолучешш произве третьего порядка обобщенной координаты без использования инерционных зв1 измерительной системы, которая просто встраивается в существующую систему С устройстве реализуется способ получения третьей производной обобщенной коорди численным дифференцированием конечпо-ра ¡постны ми схемами, имеющими ггрешгущ перед другими схемами двойного дифференцирования. На выходе датчика формир восьмиразрядный код, который легко применим в системах управления и помехоустой1 Эмпирическое значение производной третьего порядка обобщенной коордш при конечно-разностным двойном дифференцировании обрабатывается по следу! формуле:

_ 6* Л3 2* Л3 2 * с)!1 6*<11!

где А -число импульсов при ¿-том интервале измерения дискреты времени с11 Оценка полученных значений производных третьего порядка обобии коор;ршаты выполнена относительно эталонного. Достоверность получаемых резуль оценивается методами математической статистики с использованием кри

11нрсо1Ц|-<1чппсра и составило = 0,029, что намного меньше табличного

пня Л'" =3.8. На основании проведенных исследований создано оптоэлектропиое иство, содержащее первичный преобразователь для считывания числа дискрет за I АI и вторичный преобразователь, реализующий конечно-разностное двойное ереппнровапие.

Функциональная схема оптоэлектронного преобразователя с вычислительным 1М показана на рис.2. При создании оптоэлектронного устройства был использован .артный элемент - оптоэлектронный первичный преобразователь.

В э.лектрошгуто схему первичного преобразователя были внесены следующие тигельные элементы: СД11 - счетчик длительности импульса: ФК - формирователь ГДИ - генератор длительности измерительного диапазона.

Вычислительный блок ОПЗУ является новым разработанным элементом, цпопалыюе назначение элементов вычислительного устройства пояснены на рис.2. пмерения малых перемещений в состав элементов 01ЮУ введен мультипликатор с хпно-изменяе.мым передаточным отношением.

Для тарировки ОПЭУ был создан специальный тарировочпый стенд, и построена математическая модель. Найдены динамические погрешности созданного стенда, натпость математической и физической модели определилась по критерию согласия оиа-Фишера. При расчетном значении критерия X' = 1.92-1, табличное значение :рия ,чли рассматриваемых условий X2, = 3.8. Это позволяет проводить достоверную ювку ОПОУ на этом стенде.

Основные выводы но третьей главе.

.В качестве первичного преобразователя рывка силы (третьей ироизво.тной) южен оптоэлектронный первичный преобразователь измерения угловой скорости I с угловыми делениями 0.0025 рад., позволяющий провести даойное )ереицированне разностными схемами.

.Разработанное оптоэлектропиое устройство отличается от созданных подобных шетн тем. что в блоке формирования унитарного кода применена схема коррекции 1атора нмпульсно-кодовой модуляции, а выхо;рюи код подвергается обработке тми дифференцирования по созданному алгоритму.

.Для решения проблемы тарировки первичного преобразователя создан специальный I на базе централыю-ку.тпеного механизма, отличающийся от известных стендов тем, поступательное движение ползуна, преобразуемое во вращательное движение 11ЧНОГО преобразователя, описывается строгой тригонометрической функцией от утла рота кривошипа, дифференцируемой неограниченное число раз.

.Машинным экспериментом установлена величина динамической погрешности го тарнровочного стенда с конечной мощностью привода из-за изменении на одном оте момента инерции кулисного механизма и определена минимально дотетпмая чина момента инерции диска кулисного механизма как маховика, при которой мпческая погрешность не превышает заданную величину;

.Установка в устройстве мультипликатора с дискретно и ¡меняющимся передаточным им позволяет ¡амеряп. производные при очень малых перемещенных.

В четвертой главе рассматривается вопрос управления сваркой по рывку силь: третье!! 1 [роизиод1 юй).

Для исследования быстропротекающего процесса сварки детален инструментальных сталей была создана математическая модель стыкосвароч полуавтомата СИ-124 и пакет прикладных программ с числовой и графте информацией таких параметров, как изменение напряжения в первичной цени свароч трансформатора, ток, температура в стыке, глубина прогрева припуска сваривае деталей, перемещение, скорость, ускорение, рывок силы (третья произво перемещения), давление рабочей жидкости в поршневой и нодштоковой полостях, вели1 сопротивления упругой и упруго-нластической деформации разогреваемого До темпера*, плавления припуска. Моделировались инерционность механическая и электромагнит Варьируемыми параметрам! были начальное напряжение, давление настройки кла1 сечение регулировочных дросселей, число кода ОПЭУ, передаточное ч мультипликатора.

Математическая модель-нелинейная. Порядок дифференциальных уравнений -При составлении математической модели сделаны следующие допущения:

-мультипликатор после выборки люфтов работает как жесткая систем: крутильные колебания валиков можно не учитывать;

-вычислительный блок не имеет погрешности при выполнении алгебранче оиерандш над числами;

-напряжение в электросети стабильное;

-температура и вязкость рабочей жидкости имеют установившееся значение непрерывной работе полуавтомата:

зависимость предельного напряжения (Т°) упругой деформации при наг стали от 20 до 2000 гр. может' быть определено линейно-кусочной аппроксимацией.

Программа включала в себя процедуры: "Ход вперед", "Ход на "Термодинамика", "Датчик", "Реле обратного хода для -зажигания вольтовой дуги процедуре ОШ'Р моделируются эталонные значения всех производных перемени Листинг программы приведен в приложении №2 диссертации.

Адекватность физических и математических моделей СИ-124 проверзшось прямым сравнением таких параметров, как время цикла, время сварки, динамика сварки (см.рис.5), температура плавления, напряжения силовой цени, давлеш гидроситеме (см. рис.3), так и по критериям согласия.

Па адекватных математических моделях СИ-124 и ОПЭУ СУ проверялись точ1 формирования первой, второй и третьей производных перемещения при раипп значениях варьируемых параметров (см. рис.3), определялись условия возшишон ''шума" (см. рис.7) при двукратном дифференцировании в вычислительном С оптоэлектронного устройства, работа регулятора напряжения (см. рис.б), динамика св (см. рис.4).

Основные выводы по четвертой главе.

(.Предлагается в качестве критерия оценки процесса сварки принимать отнош сварочной мощности (Н*м/е) к разогреваемой до плавления массе металла (П*с2/м) величине перемещения привариваемой детали гидравлическим податчнком в резуш пластической деформации (м), иначе говоря, сварочная мощность должна пропорциональна третьей производной обобщенной координаты гид

РАСЧЕТНАЯ СХЕМА СТЫКОСВАРОЧНОГО СТАНКА СИ-124 Реле зажиганиЯ ^

оптоапектронное устройство^

Вычислительное устройство

Регулировка у* дросселЯ на оливе

Рис. 1

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА И ПЕРВИЧНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Рис.2.

РД - растровый диск; ОП - оптопара; СИ - счетчик импульсов; СДИ - счетчик длительности импульса; ГДИ - генератор длительности импульса; ФК - формирователь кода; РЗ -регистр защелка; С - схема управления регистра защелки; СР -

схема разности кода.

ЭЛЕМЕНТЫ ПРОЦЕССА СВАРКИ

с

Рис. 3

■(-перемещение каретки; У-скорость каретки; Т-температура стык ^напряжение; 1-ток сварки. Характерны следующие участки: -подвод привариваемой детали, от 1=0 до 1=4.35 е.; -остановка детали при упоре на неподвижную деталь, =4.35 до 1=4.37 е.;

-разогрев стыка током сварочного трансформатора тластического состояния, 1=4.37 до 1=4.63 е.;

-сдавливание свариваемых деталей под током в следст: эезкого снижения сопротивления упор, от 1=4.63 до 1=4.84 е.;

-раскрытие зажимов в отвод каретки до заднего упора, по =4.84 с.

ПЕРЕМЕЩЕНИЕ КАРЕТКИ БЕЗ ОПЭУ (КРИВАЯ 1) И С ОПЭУ (КРИВАЯ 2) I

Хк,м 1,0

0,9В

0,96

0,94

0,92 4,

СУ СТЫКОСВАРОЧНОГО ПОЛУАВТОМАТА СИ-124

1 —ч > у ^

> г* г \

л г

VI.

/ Г

г

68 4,76 4,84 4>92 5>0 1,с

Рис. 4

ИССЛЕДОВАНИЕ СВАРОЧНОГО ТОКА СВАРКИ МАТЕРИАЛОВ

1 • расчетная кривая изменения сварочного тока при машинном эксперименте; 2 - экспериментальная кривая изменения тока. - - 1 ~л

—1/-\

- __ _ — _ \ — —

г . - -

~ ~ 1 \ ~ —V

Л ~~ _ — —--— \ Д —

_ _ "— —

о 2.75 5,5 1,С

Рис. 5

РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ Щ) ПЕРВИЧНОИ ЦЕПИ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА И ИЗМЕНЕНИЕ ТОКА 1(1)

ЦЮ1), и(ш\

А гв 100

80

60

40

20

О -2

СРАВНЕНИЕ ЭТАЛОНА ЗНАЧЕНИЙ X ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ЗНАЧЕНИ

1ЯР

Ха. Ъс]

¡ф=6

м/с-*

ЭО 20 Ю О -1 о •20 -ЗО -40 ■бО

/Хг

Т1

и г

г v

----- ------

—

-

ii

¡ф=14,7

а.

ч/[:

ЗО 20 Ю О -Ю -20 -ЗО

-во

X». **

¿ф-ЗО

л/ч* ЗО 20 Ю О -Ю -20 -ЗО -40 -во

ш— 1 -ц-

И

----- 1п-п- !_г!н м — вп_! 1 —

-------- --

47в

¡Ф=144

Рис. 7

Выбор оптимальных параметров оптоэлектронного устройства по минимуму погрешностей

Обратное значение передаточного числа мультипликатора

Рис. 8

этического податчика;

¿.Разработай принцип автомапгческого управления технологическим процессом .ikoboü сварки инструментальшлх сталей. Па основе значений третьей производной "«мещения податчика стайка регулируется сварочная мощность путем изменения гря'жеиия первичной цепи силового трансформатора по определенному закону;

3.Разработана адекватная математическая модель стыкосварочного полуавтомата оптическим первичным преобразователем в системе управления, позволившая :ледовать переходные процессы в системе и отработать алгоритм управления ;нологическим процессом сварки по закону равномерного шш равноускоренного [жешш каретки в момент оплавления стыка на основе контроля величины третьей эизводной перемещения гидравлического податчика;

4.Решена задача управления напряжением первичной цепи сварочного пгсформатора на основе информации оптоэлектронного устройства. Регулирование фяжения осуществляется таким образом, чтобы сопротивление гшастической [юрмации припуска на сварку с ростом температуры снижалось плавно, а к концу сварки .птература в стыке доеттггата заданного значения;

5.Установлено, что внедрение СУ с оптоэлектронным устройством на лкосварочном автомате СИ-124М привело к сшжешпо брака по сварке с 15% до 3%. о подтверждается актом внедрения.

Оптоэлектронное устройство установлено в СУ СИ-124М для эксплуатации АО тавропольекий инструментальный завод'. Программное обеспечение используется в ;бпом процессе в Ставропольском государственном техническом университете.

В пятой главе решены во!фосы оптимизации параметров оптоэлектронного ройства дтя стыкосварочных полуавтоматов, в частности, для СИ-124. Задачей гимизации параметров оптоэлектронного устройства является минимизация суммарной решностн воспроизводства производных перемещения. И качестве варьируемых эаметров 1фипимались: передаточное число мультипликатора imt, число дискрет Nkod временной интервал считывания А t, величина люфтов на каждой ступени передачи льтишшкатора dL.

Футгкция цели имеет вид:

Fc = (p(imt, Nkod, dl, dL) min .

Нахождения минимума функции цели проводилось методом динамического этраммировання прямым перебором. На рис.8 прнведетл составляющие погрешности эвичного оптоэлектронного преобразователя и вычислительного устройства: 1-решность при разли'шых значениях передаточного числа мультипликатора и :тоинном значешш кода (для примера равного 30); 2-миннмалЫ1ые иогренпюсти при лоянном соотношении передаточного числа и разрядности кода; 3-погрешность чтения та при посгоящ[ых значениях передаточного числа, 4-по]реишость связа]шая с люфтами аждой ступени мультипликатора при измените направления движения.

Для данного оптоэлектронного устройстаа оптимальными параметрами являются od=3(), imt=l/ipr= 1/36=0.028. Суммарная погрешность при этих параметрах составляет

о/ /о.

Доказано, что границы считывания кода лежат в пределах от 30 до 220 для

лапши о 'Iiиia периичнш о оиюэлекфоппого iipooöji;i-ищагеля с числом дискрет за 1 об. 1251

Рассмотрен также »опрос об использовании информации о производных по Bpe.Mei резу.чьтир\тощш сил н моментов и СУ технологическими процессами п для устройет: зашшы приводов ог аварии и перегрузок.

Общей шестпы выражения дчя вторых производных перемещений X и (р ;

Fdu-Fcm. .. М öd - Мсш

X = -> (/) --------

М J

Скорости Л' и <Р н перемещения Л' и (р находятся интегрированием Л' (р . Информация о вторых производных и управление но вторым нрошводным являют упреждающими но отношению к скоростям и перемещениям.

Третьи нрон¡водные .V и (р - "но производные по времени результирующих сил моментов'.

d Foe-Fcm ... d Мое - Мсш

V ^ -------) fp _ -_f-----) .

dt М dl .)

Ксли информацию о производных результирующих сил и моментов мы мож iioivinib непосредет пенным замером, то третьи производные перемещений 6y;i упреждающими по отношению ко вторым и первым произво;цп,1М, а также п перемещениям Н »том случае можно будет использовать А' и ф для унреждающе управления в СУ.

1 [родифференцпровав но времени результирующие силы п моменты, получим

I ,1 М

X = --* — (/••<)« - Fem) - (Föc - Fcm)*-jp->

I d j

ф = j* ---( Mdi: - Mein ) - ( Möc - Mein) * —— ■

Как bii.uk> из полученных выражении, фетьп производные равны пулю н равенстве движущих и статических сил и моментов независимо от изменения во вре.мс приведенных масс и моменюв инерции.

При постоянной разности движущих н сташческих сил п моментов rpei производные будут равны тлю только при неизменности но времени приведенных мает моментов инерции. Дальнейший анализ ведется дтя систем с независимыми от времс массами и моментами инерции. Системы приводов обычно оснащаются первичны преобразователями давления пли тока. По изменению во времени давлений или и можно прогнозирован, "будущее" перемещение. 13 случае жесткого cionopei нсполншельпых opi аиов технологических машин характер нарастания тока пли давлеч во времени при щеке сильно отличается ог характера нарастания тока или давлений времени при обычном пуске. r)iv информацию используют для экстренного отключе! систем приводов от источников иикшпя.

11ропшодейс|в\я шмепенпю результирующих сит или моментов в СУ по зам к * .V и ли по закону к * ф. мы вводим демш^нрование п. тем самым. стаби.пппр\ равноускоренное движение Равен». ню пулю Ускорения есть частный случай

тоянпои величшпл ускорения.

Таким образом, трепло производную целесообразно использовать в СУ в тех ■чаях, когда требуется изменять подводимую мощность к приводу для обеспечения июускоренного перемещешш исполнительного органа. Результируюнще силы или менты могут изменяться и за счет изменения статических ein или моментов.

Основные выводы по пятой главе:

1.Разработана методика оптимизационного расчета оптоэлектропного устройства lepeiriw производных перемещения. Оптимизация параметров оптоэлектрониого ройства проводилась при помощи динамического программирования. Анализ решностей но параметрам целевой функции позволяет рекомендовал, оптимальные 1четш передаточного числа мультипликатора, величину допуска на зубчатые егшеиия, числа дискрет кода, числа дискрет па растровом диске, метода счета дискрет и [1ференцированпя оптоэлешронным устройством для измерения трех производных ющешплх коордшют;

2.Даны рекомендации по использованию информации о третьей производной ющеппой коордштты в динамических системах защиты приводов от аварий и гсгрузок;

3.Предложен (в соавторстве) метод составления дифференциальных уравнений гжения, начиная с дифференциального уравнения для рывка, т.е. для третьей шзводной перемещения, и тройного интегрирования доя получения значений ускорения, >рости и иеремещешш.

Методика оптимизащш параметров сварки может быть использована при |дашш САПР оптоэлектронных устройств для АСУ различных технологических ьектов.

Основные выводы но работе

1.При сварке инструментальных сталей на сшкосварочных полуавтоматах лройка управляющих параметров осуществляется экспериментально иа опытной партии (елий. Из-за случайных отклонений управляющих и технологических параметров шляются дефекты сварки в виде выплеска раенлавлешюго металла под действием вка сил в момент оплавления стыка, неировара, микротрещин и т.д. Брак достигает, тример, на АО"Ставропольский инструментальный завод" 15%.

2.Без оперативного контроля и регулиров.ания управляющих параметров юзможно отстраиваться от случайных возмущений процесса сварки. Предотвратить вок силы можно только плавным сшгжсипем 1:ст за счет регулирования напряжения рвшпюй силовой цепи трансформатора, т.е. за счет регулирования тока. При егропротекающем процессе сварки контроль рывка силы может осуществляться только ишерциошплм (оптоэлектронным) устройством по третьей производной перемещения, дравлический подагчик с массой до 100 кг. не может быть объектом управления при ительности процесса сварки 0.2-0.4 с.

З.Оптоэлектронные устройства должны соответствовать требованиям СУ:

-быть чувствительны к малым скоростям перемещения каретки от 0.005 до

15 м/с;

-скоростной КПД мультипликаторов (из-за люфтов в зубчатых передачах при менешш направления скорости) должен быть не менее 0.96;

-точность считывания информации первичным преобразователем должна быть менее 0.97 и не зависеть от емкости и индуктивности электрических

схем.

-•¡а время нспосреди венной сварки ( 0.2 ...0.4 с ) должно осущеав.ппье менее К) коррекции напряжения сварочного тока с учетом приведенной нндуктив! сварочного трансформатора'.

-шпегральпая погрейшость устройства при определении плавности (третьей производной перемещения) должна быть не более 10%;

-вычислительные операции в устройстве по точности и бысзроденс должны соответствовать требованиям, предъявляемым к микропроцессорам:

-устройство должно быть устойчиво к вибрациям в .диапазоне частот от

250Ги.

-устройство должно жеплуашроваться при температуре окружающей ср> 10-+40°С. при относшелыюй влажности 30-100%.

-число дискрет в коде с учетом возможной потери 1-й дискреты должно не менее 30 , чтобы обеспечить точность считывания 0.97.

4.В качестве первичного преобразователя рывка силы (треп,ей пропзво, используется оптоэлект ройный первичный преобразователь измерения угловой ско диска с угловыми делениями 0.0025 рад., позволяющее провести разностными схе двойное дпффереццир°шшие. Разработанное оптошектроппое устройство отличает созданных подобных устройств тем, что и блоке формирования унитарного кода npiiMi схема коррекции генератора пмпульспо-кодовой модуляции, а выходной код подпер! обработке блоками дифференцирования но созданному алгоритму. Устройство оспа мультипликатором для вычисления производных при очень малых перемещений.

5.Для решения проблемы тарировки первичного преобразователя с специальный стенд на базе централыю-кулисиого механизма, отличающийся от изва стендов тем, что поступательное даижеппе ползуна, преобразуемого во вращате. движение первичного преобразователя, описывается строгой Тригонометрической фуш от утла поворота кривошипа, дифференцируемой неограниченное число раз. Маши экспериментом установлена величина динамической погрешности самою тарнрово стенда с конечной мощностью привода из-за изменения на одном обороте момента ink кулисного механизма и определена минимально допустимая величина момента шк диска кулисного механизма как маховика, при которой динамическая погрешпосп превышает заданную величину;

(¡.Предлагается в качестве критерия оценки процесса сварки принимать о гнои сварочной мощности (Н*м/с) к разогреваемой до плавления массе металла (П*с'/м величине перемещения привариваемой детали гидравлическим нодатчиком в резул пластической деформации (м), иначе говоря, сварочная мощность должна пропорциональна третьей производной обобщенной координаты гпдравличе нодатчнка;

7.Разработана адекватная математическая модель сгыкосварочпого полуавгои оптическим первичным преобразователем в системе управления, позволившая пселед переходные процессы в системе и отработать алгоритм управления технологич! процессом сварки по закону равномерного или равноускоренного движения карет момент оплавления стыка на основе контроля величины третьей производной перемен гидравлического податчпка. Решена задача управления

шкепием первичной цени сварочного трансформа юра на основе информации плектроииого устройства. Регулирование напряжения осуществляется таким образом, >ы сопротивление пластической деформации припуска на сварку с росIом температуры калось плавно, а к концу сварки температура в сгакс достигала заданного значения'.

8.Внедрение СУ с онтоэлсктронным устройством па стыкоеварочном автомаге 124М пр!гоело к снижению брака по сварке с 15% до 3%, что подтверждается актом фения.

9.Разработана методика оптимизащюнного расчета онтотюктроиного устройства :рения производных перемещения. Оптимизация параметров оптсплектроппо! о ■ойства проводилась при помощи динамического программирования. Анализ >ешностсй по параметрам целевой функции позволяет рекомендовать оптимальные юния передаточного числа мультипликатора, величину допуска па зубчатые шюния, числа дискрет кода, числа даскрет на растровом диске, метода счета дискрет н ферешшровапия онтоэлектроштым устройством дтя измерения трех производных чцештых координат;

Ю.Даны рекомендации по использованию информации о третьей производим"! лисиной координаты в динамических системах защиты приводов от аварий и ¡грузок. Предчожен (в соавторстве) метод составления дифференциальных уравнении кения, начиная с дифференциального уравнения дтя рывка, т.е. для третьей вводной перемещения, и тройного шггегрирования для получения значений ускорения, юсти и перемещения.

Осшншмс положения диссертации 01 ражены и следующих работа:

Лифоренко Р.В., Цибизов А.Н. Теоретические вопроси измерения высших производных обобщенной координат привода. Способы измерения. Датчики. - Тезисы докл., 26 февраля 1996.г. Ставрополь: СтГТУ, - 1996 Лифоренко Р.В., Цибизов А.П., Сидоренко С.А., и др. Вопросы реализации информации о производных обобгцсшгой коор;ишагы 4.5. и 6 порядка в системе управления промышленного робота //Ставрополь: СтПИ,- 1993,- 8 с. Бпблиогр. 3 назв. Леи. в ВИНИТИ 20.05.93 №1350-В93. Лифоренко Р.В., Цибизов А.II., Сидоренко С.А.. Левченко С.А., Лубянке А.А. Основные способы непосредственного измерения производных высших порядков обобщенной координаты. //Ставрополь: СтПИ 1993.-16с,-Бнблногр.7 назв. Рус. Леи. в ВИНИТИ 26.05.93 №1390-1393 Лифоренко Р.В., Цибизов А.И., Сидоренко С.А.. Левченко А.А., Лубяпко А.А. Анатиз и исследование методов получения информации о производных высших порядков обобщенной координаты. // Ставрополь: СтПИ 1993,- 4с,-Бпблиогр.7 назв. Рус. Деп. в ВИНИТИ 26.05.93 №1348-1393 Лифоренко Р.13., Цибизов А.Н., Сидоренко С.А., Левченко С.А., Лубяпко А.А. Теоретическое исследование датчика производной третьего порядка обобщенной координаты. //Ставрополь: СтПИ 1993.-7с,- Библиогр. биазв. Рус. Деп. в ВИНИТИ 26.05.93 №1349-1393

6. Лифорепко P.Ii., Цибичов Л.П., Стеиурин И.В. Обращение кипемашки

типовых плоских рычажных механизмов с гарантированной плавностью хода: Ставрополь: СтГГУ, 1994.-5с,- Библиогр. 8 назв. Рус .- Деп. в ВИНИТИ 15.12.94 №2890-1594.

7. Лифорепко Р.В., Цибичов Л.П.. Степурнп II.В. Практическое получение

:>i алойного чакона движения пиварпаншого привода: Ставрополь. СтГГУ. 1996.-11с,- Библиогр. 4 иачв. Рус. - Деп. в ]ВИНИТИ 02.04.96 №1073-1396

8. Лифорепко Р.В., Цибичов Д.П.. Стснурии П.В. Приводы технологических

машин с неизменяемыми динамическими параметрами: Ставрополь: СтГТУ,-1995,- 4с. - Библиогр. 8 иачв. Рус. Деп. в ВИНИТИ 18.04.95 №1062-В95

9. Лифоренко I'.B., Цибичов Л.П., Стеиурин II.В. Синтез -»лемептарпых законов

изменешы производной треп.его порядка обобщенно!! координаты инвариантного привода: Ставрополь. СтГГУ. 1996.-23с,- Библио1р. 2 назв. Рус. - Ден. В ВИНИТИ 02.04.96 №1075-В96

10 Лифорепко Р.В., Цибичов А.II., Стеиурин 11.15., Гришина O.A., Гридякина

Ii.15. Исследование кинемаiiikii типовых плоских рычажных механизмов по критерию плавности хода: Ставрополь. СтПП 1994.-4с,- Ьиблпотр.7 назв. Р\с. Деп. в ВИНИТИ 15.12.94 №2889-В94.

11 Лш|)орепко Р.В., Цибичов A.IL, Стеиурин II.В.. Иванова A.C. Тео]чггические

вопросы влияния фор.\ц.1 кривой производной третьего порядка обобщенной координаты па тахограмму привода технологической машины: Ставрополь. СтГГУ. 1995.-12с,- Библиогр. 7 иачв. Рус. - Деп. в ВИНИ ТИ 29.05.95 № 1518 -1595

12 Лифоренко Р.В.. Цибизов Л.II., Стеиурин П.В., Методика синтеза 'чалонного

закона движения инвариантною привода: Ставрополь. СтГГУ. 1996.-31 с.-Библиогр. 12 назв. Рус. - Деп. в ВИНИТИ 02.04.96 № 1074-1596

13 Лифоренко Р.В., Цнбизов А.П., Водяник Г.М., Математическая и физическая

модели стенда для тарировки датчиков высших производных перемещения: Сб.научи. тр./Новочерк. гос. тех. Ун-т. Новочеркасск: ПГГУ, 1996.-106с.

14 Лифоренко Р.В. Способ управления стыковой сваркой: Материалы "XXV11

научно-технической конференции'' Ставрополь. СтГТУ. 1997.-148с.

15 Лифорепко Р.В., Цибичов Л.П.. Стеиурин II.В., Требования к закону движения

приводов с заранее неизвестным изменением инерционной нагрузки: Ставрополь. СтГГУ. 1995.-Пс.- Библиогр. 8 назв. Рус. - Деп. в ВИНИТИ 29.05.95 № I5I8-B95