автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка помехозащищенных измерительных устройств определения положения луча относительно стыка при ЭЛС

ЛЕШ1ГРАДСЖ Г0С7ДАР0ТВЕ.ШИ ТЕХНИ'КСКИЛ УНЮЕРСИТКТ

| №1-ЯЭ,

ДЛЯ СЛУЖЕБНОГО ПОЛЬЗОВАНИЯ

Зкз. № _

- ' Й

На правах рукописи • а м —

Мурыгин Александр Владимирович

УДК 621.791.72.:791-52

РАЗРАБОТКА ПОМЕХОЗАЩИЩШХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ОПРЕНЖШЯ ПОЛОЖЕНИЯ ЛУЧА ОТНОСИТЕЛЬНО СТЫКА ПРИ ЭЛС

Специальность 05.03.06. - технология и машины

сварочного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

гссу^'-.- . техипчЛс^:" ". ;.""„• "" ход.

V

Трнпнград 1991

Работа выполнена в Красноярском институте космической техники

Научный руководитель - доктор технических наук

профессор В.В.Башенко

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор А.С.Васильев

- кандидат технических наук Б.Г.Ушаков

Ведущая организация - ВНИИЭСО

Защита состоится 1991 г. в чаоов

на заседании специализированного совета Д 063.38.17 в Ленинградском государственном техническом университете по адресу:.195251, Ленинград, Политехническая ул., 29, химический корпус, ауд. 52.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке 'Ленинградского государственного технического университета

Автореферат разослан " е?Л 1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, доцент В.А.Лопота

РАЗРАБОТКА ПОВДОЗАаЩътХ ИЭлйММЬНЬХ УСТРОЙСТВ ОПРЕдйЛШН пололиты ЛУЧА ОТНОСИТЕЛЬНО США ПРИ элс

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) в насто-щсе время используется практически во в^ех отраслях промышленного ;роизводотва. Значительные достижения ЭЛС достигнуты благодаря озданию систем автоматического направления луча по стыку. Необхо-.имость автоматического контроля и управления положением луча при ЛС связана с налами размерами зоны плавления электронного луча, шсокой скоростью сварки, сложностью протекающих при ЭЛС процессов.

чествующие средства слежения за стыком не удовлетворяют в полной :ере современным требованиям точности и надежности в наведении луча а стык. Причиной такого положения являются проблемы, связанные с .омпенсацией влияния различных возмещений, вызванных физическими влениями, сопровождающими процесс 0JIC, конструкционными особенно-тяки свариваемых узлов. Вследствие выше названных причин, акгурль-ость темы определяется необходимостью повышения качества сварных . вов и потребностью в обеспечении технологических комплексов надежный средствами автоматического позиционирования луча по стыку.

Целью данной работы является создание средств автоматического озиционирования по стыку на основе разработки и реализации помехо-ащищенных измерительных устройств определения положения луча тносигольно стыка, внедрение названных средств В производство в оставе промышленных электронно-лучевых установок.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- Разработаны оригинальные принципы построения, определены груктура и параметры устройств слежения за стыком, использующими

1

рентгеновские датчики стыка (РдС).

- Получены математические зависимости, описываиаие статические характеристик РДС с учетом пространственной ориентации датчика относительно плоскости стыка.

- Предложен способ слежения за стыком, поьыааюдай глубину модуляцди сигнала от стыка, при котором интенсивность рентгеновского излучения ограничивается специально ориентированной коллимируюлей насадкой на РдС.

- Разработаны алгоритмы функционирования системы слежения за стыком в процессе сварки, содержащей средства вычислительной техники.

Практическая ценность работа заключается р разработке и внедрении:

■ - схемотехнических решении устройств слежения за стыком;

- алгоритмов м программ расчета статических характеристик РДС;

I

- программного обеспечения устройств с микро-ЭБМ в контуре управления ;

- методики экспериментальной оценки помехоустойчивости

■ датчиков стыка .

Реализация в промышленности. Опытный образец системы слелсения за стыком внедрен в производство на П/0 "Красмашзавод" г. Красноярска, 'эффект от внедрения составляет ЬО тыс. руб в год.

Апробация работы. Материалы диссертации и отдельные разделы работы докладывались и обсуждались на 9 Всесоюзной научно-технической конференции "Электронно-лучевая сварка" (1-2 апреля 1986 г., Москва); 10 Всесоюзной конференции "Злехтронно-лучэвая сварка" (22-2ч ноябоя 1568 г., Ленинхраа), 2 всесоюзной научно-технической конференции "Микропроцессорные системы" (22-2^ сентября 1968 г., Челябинск) ; на засейваиях и научных семинарах кафедры "Оборудование к'технология сварочного производства" Ленинградского государстоен-2. .

rioro технического университета.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 1?. печатных работ, в том число получено 2 авторских свидетельства и 4 положительных решения.

Объем и структура диссертации, диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы, включаю-дего 102 наименования. Общий объем составляет 195 страниц сквозной нумерации, в том числа til иллюстрация.

Содержание работы

tío введении обосновывается актуальность разработки устройств автоматического позиционирования луча по стыку, формулируется постановка задачи, цель работы, дается содержание того нового, что гделано автором, указываются основные положения, которые выносятся *а защиту.

Первая глава посвящена анализу технического состояния и степени эсвоения в производстве современных средств и методов позиционирования электронного луча по стыку. Из анализа рассмотренных публикаций можно заключить, что наиболее широкое распространение получили зистемы слежения с вторично-эмиссионными и рентгеновскими датчиками згыка. Выявлены определенные преимущества систем слежения с РдС и 1ерспективность их дальнейших разработок. Основной причиной, сдер-кивающэй внедрение систем с РДС в производство, являются проблемы, связанные с уменьшением глубины модуляции сигнала датчика при сложении за стыком в процессе сварки. Оки возникают от того, что диаметр луча становится значительно больаэ зазора з стыке и приводят к снижению помехозащищенности. Ввиду того, что на сигнал датчика накладываются помехи, уровень которых является случайной величи-

3

ной, для надежного выделения сигнала от стыка необходимо применять специальные методы. Показано, что наибольшей эффективностью обладав метод синхронного накопления. Наличие большого количества параметров процесса ЭЛС, подлежащих контролю и управлению, сложность обработки алгоритмов сигналов определяют необходимость включения в контор управления средств вычислительной техники. Анализ литературных данных позволяет заключить, что, несмотря на большое число имеющихся разработок, проблемы получения качественных соединений требуют проведения дальнейших работ с целью повышения точности и надежности функционирования систем слекения за стыком.

Во второй главе рассмотрены особенности формирования сигнала от стыка по рентгеновскому излучению от поверхности свариваемых деталей. При сканировании лучом часть электронов тормозится в стыю свариваемых деталей на глубине 1- . Возникающее при этом рентгеновское излучение (РИ) попадает на РДС, расположенный в плоскости, перпендикулярной плоскости стыка, ослабленным в Кя раз

где ^ - линейный коэффициент ослабления

угол наклона датчика к плоскости стыка. В этом случае интенсивность РИ, фиксируемая РДС, может быть представлена следующим выражением:

где \\ - коэффициент пропорциональности, соответствующий

интенсивности РИ от поверхности детали О" - среднеквадратичное отклонение электронов от оси луча Ьз - величина зазора стыка £ - отклонение оси луча от стыка.

fía рис.! представлены нормированные статические характеристики ДО для различных значений <3/ h s . Нормирование производилось целением величин, полученных из (I) на W , При (3 ^hs выражение (I) 2 точностью до 10;? можно представить выражением

(2)

помехоустойчивость датчика характеризует коэффициент глубины модуляции сигнала от стыка. Из (I) следует:

О)

При из выражения получим Км ~ Q-^f-'

На рис.2 показана зависимость Ки от отношения

б/h

s (кривая I).

При расположении датчика в плоскости стыка часть РИ будет проникать на РдС через зазор стыка без ослабления. При этом коэффициент ослабления РЛ, попадающего на РдС будет равен Ksi

Ksi - Ks-*-j^-(l-Ks)-SlN(p

С<0

где К - расстояние от точки падения луча до РДС

ид - ширина горизонтальной плоскости чувствительного элемента РдС.

Подставляя (4) в (3) вместо Кз , получим коэффициент глубины модуляции для данного способа ориентации датчика (рис.2, кривая 2). При увеличении 0"/Ьз коэффициент глубины модуляции уменьшается. Ьго можно повысить, если использовать для обнаружения стыка коллимк-рованныи РДС. датчик ориентируется таким образом, чтобы проекция его коллимационного отверстия на поверхности свариваемых деталей, представляющая полосу, лирина которой меньше диаметра луча, пере-

5

сехала стык под острым углом ^ (рис.3, 4) и пересечение лучом стыка осуществлялось вдоль этой проекции. В этом случае статическая характеристика описывается выражением

л» V -<(5)

где Ьк - ширина проекции коллимационного отверстия V Ьк-С05Р>-Ьд у -Ьк-СОБМй

Л2~ ' ЛА** ¿ехыр »

На рис.5 представлены нормированные статические характеристики . коллимированного РЛС. Коэффициент глубины модуляции коллимированного РДС зависит от угла ^ (рис.б) и при уменьшении угла увеличивается, Из рассмотренных характерных случаев применения Р£С - наибольшей величиной Ку обладает датчик с коллиматором (рис.2, кривая 3).

,. В третьей главе производится теоретический и экспериментальны« анализ помехоустойчивости РДС. Для этого статическая характеристи-. ка РДС (2) преобразуется в динамическую

£(1)-А-ехр[-р.]

• 'где А - амплитуда сигнала А" уу г' V - скорость сканирования

А-уХб)

' начальное ■ смещение луча

£(t)» Vt-Еслл - фаза сигнала. Определяются автокорреляционная и спектральная функции сигнала от стыка. Знание этих характеристик необходимо для анализа помехоустойчивости РдС. Установлено, что автокорреляционная функция и спектральная плотчость онергии сигнала от стыка представляют собой функцию нормального закона распределения. Выявлена связь параметров этих функций с геометрическими размерами луча и стыка, для автокорреляционной функции получено: ..

Кх(г)«Ак-ехр[-2к*] (7)

» . ,*(1-Кif к}

где /\к = 2Qjz-у амплитуда автокорреляционной

функции - параметр распределения.

для 'спектральной плотности энергии сигнала получено:

Sp(t) = Asp-exp[-2^r] <8)

где амплитуда спектральной плотности

х- v л

OSp = 2xG"f~2 ~ паРамэгР распределения.

Формулы (7) и (б) позволяют определить энергию сигнала £s ■ А« и полосу пропускания измерительного устройства j гр а 3(5вр В процессе слежения на датчик действуют помехи, искажающие принимаемый сигнал. Одной из таких помах является превышение кромок. £е действие проявляется в частичном затенении РДС. На рис.7 пока- . зани статические характеристики РДС при расположении датчика в плоскости, перпендикулярной стыку для различных значений превышения кромок. Аля уменьшения влияния этой помехи предлагается размещать-датчик в плоскости стыка. Анализируется влияние случайной помехи. Для этого ее действие в процессе измерения выражается как изменение информационных параметров (ЛЛ) сигнала.от стыка

Д и Se .

выбираются такими, чтобы разность вгкв-О была минимальной. Помехоустойчивость информационных параметров определяется отношением

Л Л ■ п ^

где дА,д£ - максимальное изменение ИП

- дисперсия шумовой модуляции ИП. Установлено, что в качестве Ш предпочтительнее использовать фазу сигнала. 2

При Есм= 30" (луч полностью смещается со стыка),= 18'рд для проведения экспериментальных исследований помехоустойчивости

I

РдС разработано устройство, в состав которого входят микро-ЭБМ, устройство связи с объектами, прибор управления лучом, датчик стыка, магнитофон, осциллограф. В дискретных точках траектории сканирования микро-ЭВМ считывает показания датчика и запоминает их в ячейках памяти. Полученные данные анализируются визуально на осциллографе или выводятся на магнитофон для последующей обработки. На основании исследований сигналов РДС выявлена удовлетворительная сходимость экспериментальных данных с расчетными.

Б четвертой главе рассмотрены вопросы технической реализации помехоустойчивой системы слежения за стыком и фокусом. В качестве датчика стыка предлагается применить коллимированный РДС, а для выделения сигнала использовать метод синхронного накопления. Система состоит из трех основных блоков: блока выброса луча; измерительного блока; блока коррекции и индикации. Управляет работой 8

1 норп

1>0 ¿/h* =0.5(l);l(2);l,5O;:2(4h

0,8 0,6

0,4

0,2

ЦЛ

■^ьг

hi

£(»»). -1,0 -0,5 0 0,5 1,0 1,5

Рис. 1

\

0,8 0,6 0,4

0,2

0

<

а

¿A 0,5 1,0 1,5

Рис. 2

2,0

Рис. 3

T ' ¿A- = 0,5(1) ;1(2) ;.1,5(3) : 2 (■'<);

•ln&Prf TV V i i i -i i-

£{»„) _i,c -0,5 O 0,5 1,0 1,5 Pac. 5

XL ¿A = 0,5íl);l(2);l,5(3);2(4j ;

0,8 0,6

0,4

0,2 O

NT—

ix -_

fidprt) 25

50 PHC. 6

75

100

Imp» 0,8 0,6

0,4

4VÍS

£(mJ -1,0 -0,5 O 0,5 1.0 1,5 Pac. ?