автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Разработка системы управления установки прецизионной электронно-лучевой сварки

На правах рукописи

003163В68

Щербаков Алексей Владимирович

<____

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ УСТАНОВКИ ПРЕЦИЗИОННОЙ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ

Специальность 05 09 10 - Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ч 1 Р.Н9 2ССЗ

Москва - 2008

003163668

Работа выполнена в ГОУВПО «Московский энергетический институт (технический университет)» на кафедре Физики электротехнических материалов и компонентов и автоматизации электротехнологических комплексов

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Рубцов Виктор Петрович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Волохонский Лев Аврамовнч

кандидат технических наук, доцент Гончаров Алексей Леонидович

Ведущая организация ФНПЦ ОАО «Раменское приборостро-

ительное конструкторское бюро»

Защита диссертации состоится 22 февраля 2008 г в аудитории М-611 в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212 157 02 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу 111250, Москва, ул Красноказарменная, д 13

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направить по адресу 111250, Москва, ул Красноказарменная, д 14, Ученый Сове г МЭИ (ТУ)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО МЭИ (1 У)

Автореферат разослан у >, января 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) широко применяется при изготовлении прецизионных сборочных единиц в машиностроении, сварке деталей из химически активных, разнородных и тугоплавких материалов К преимуществам данной технологии откосится высокое отношение глубины проплавления к ширине (до 10 1 при «кинжальном» проплавлении), возможность концентрации энергии во всем диапазоне термического воздействия (от 103 до 5 108 Вт/см2), ведение процесса в вакууме, что обеспечивает чистогу сварного шЕа, а также возможность полной автоматизации процесса

Указанные преимущества технологии делают актуальным ее применение для целей прецизионной сварки тонкостенных деталей и микросварки, герметизации корпусов в атомной, авиационной и электронной промышленности Как правило, ЭЛС применяется для сварки наиболее 01ветственных деталей При этом точность поддержания теплового режима и его воспроизводимость являются основными условиями высокого качества сварных швов Поэтому задача автоматизации процесса сварки, обеспечивающая достижение стабильности процесса при различных возмущениях является актуальной

В настоящее время проблемы управления манипуляторами, вакуумным оборудованием и источниками питания, в основном решены Нерешенными являются задачи управления тепловым процессом сварки

В диссертации, посвященной разработке системы стабилизации параметров сварного шва для установок прецизионной ЭЛС, решается целый ряд научных и технических задач, обеспечивающих повышение качества и воспроизводимости сварных соединений

Цель диссертационной работы - разработка системы управления тепловым режимом сварочной ванны при прецизионном сварке в электроннолучевой установке, обеспечивающей повышение качества и воспроизводимость сварного шва

Для достижения поставленной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи

1 Анализ особенностей технологии электронно - лучевой сварки, уровня развития систем управления установками электронно-лучевой сварки, и выбор состава оборудования, конструктивных и компоновочных решений, обеспечивающих прецизионную сварку

2 Разработка функциональной схемы системы управления тепловым режимом сварочной ванны

3 Экспериментальное исследование электрических и тепловых режимов процесса прецизионной сварки в электронно-лучевой установке с целью определения зависимостей между качеством сварного шва и током, проходящим через изделие.

4 Разработка на основе анатапических и экспериментальных кссчедований математических модетсй процессов в сварочной ванне и системе управления

5 Разработка алгоритмов управления тепловым режимом сварочной ванны по сигналу тока, проходящего через деталь, обеспечивающих стабилизацию параметров сварного шва при изменении температурных условий и формы детали

6 Разработка методики и аппаратных средств экспериментальных исследований системы управпения

7 Аналитическое и экспериментальное исследования разработанной системы адаптивного управчения тепловым режимом сварочной ванны при различных возмущающих воздействиях с целью проверки полученных решений

Методы исследования

При решении поставленных в диссертационной работе задач использованы положения теории автоматического управления, теоретических основ электротехники, методы математического моделирования, теории теплопередачи При проведении расчетов использовались программные пакеты структурного имитационного моделирования Экспериментальные исследования проводились на действующем технологическом оборудовании Для регистрации данных использовались поверенные средства измерений Разработано программное обеспечение для снятия и обработки данных

Обоснованность и достоверность научных результатов подтверждается корректностью принимаемых допущений, обоснованноегью принятых методов исследований и совпадением теоретических и экспериментальных данных, полученных на действующих установках

Научная новизна работы заключается в следующем

1 Определены требования к составу и характеристикам электроннолучевого оборудования, необходимого для проведения прецизионной электронно-лучевой сварки, и обоснована целесообразность построения системы регулирования теплового режим сварочной ванны для обеспечения требуемого качества шва по его длине

2 На основании теоретических и экспериментальных исследований выявлена зависимость тепловых процессов, протекающих в сварочной ванне, определяющих качество сварного шва, от динамической характеристики тока, проходящего через деталь, и обоснована возможность ее использования для регулирования процесса сварки

3 Предложена и экспериментально обоснована модель канала регулирования тепловой мощности, выделяемой в сварочной ванне, включающего в себя источники питания, трехэлектродную термоэмнссионную электронную пушку с регулятором тока луча и датчик сигнала обратной связи на основе контроля тока, проходяшего через свариваемые детали

4 Разработан алгоритм выделения сигнала обратной связи по зависимостям тока, проходящего через детали, защищенный патентом. Предложена и экспериментально проверена система адаптивного управления качеством сварного шва, обеспечивающая стабилизацию теплового режима сварочной ванны по сигналу тока, проходящего через детали

Практической значимостью обладают предложенные в работе методики анализа и синтеза системы управления качеством сварки, обеспечивающие компьютерное проектирование системы в диалоговом режиме, а также методики экспериментального исследования процессов сварки в электроннолучевых установках Научные и технические решения, предложенные в работе, использованы ФГУП «НПО "Орион"» при выполнении опытно-конструкторских работ по разработке, изготовлению электронно-лучевого технологического оборудования для сварки и термообработки При настройке системы применены методы, предложенные в работе при исследовании объектов управления Апробация работы

Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XIII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2007), УИ-УШ Всероссийских семинарах «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики» (2005-2007), XIX Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (2006), XI Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (2006) Публикации

Основные результаты диссертации изложены в 15 печатных работах, в гом числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, и трех патентах

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 67 наименований, 2 приложения, содержит 120 страниц основного текста и 62 иллюстрации Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, дается общая характеристика работы

Первая глава посвящена анализу состояния и уровня систем ароматического управления установками ЭЛС, применяемыми для целей прецизионной сварки Приведено описание технологии и оборудования для ЭЛС. Приводится классификация систем управления режимом электроннолучевой сварки Выбран способ управления процессом ЭЛС

Показало, что при взаимодействии электронов малых энергий (Е~100 кэВ) с веществом, имеют место эмиссионные, тепловые и гидродинамические процессы, процессы взаимодействие пучка с плазмой, являющиеся сложными и неоднозначными объектами исследования Вместе с тем, перечисленные процессы играют существенную роль, фактически определяя тепловой режим сварки и ее кпд

Значительное внимание уделено анализу технологических требований прецизионной ЭЛС. Приведена функциональная схема установки прецизионной электронно-лучевой сварки (рис 1), представляющей собой сложный комплекс оборудования, включающий в себя электронную пушку (ЭЛП) с источником питания, рабочую камеру с системой вакуумной откачки, а также систему позиционирования деталей. Показано, что для целей прецизионной ЭЛС наиболее применимы трехэлектродные термоэмисионные пушки, оснащенные ленточными катодами с малой поверхностью эмиссии

Трудности разработки современных сисгем управления процессом ЭЛС обусловтены сложностью физических процессов формирования рабочего п}чка электронов, его взаимодействия с поверхностью свариваемых

материалов, и невозможностью контроля большинства регулируемых величин. Поэтому, тенденции развития систем управления направлены на повышение качества и обеспечение повторяемости показателей сварного соединения, снижение трудоемкости при эксплуатации и повышение КПД оборудования. Несмотря на большое количество теоретических и практических разработок, выполненных как отечественными, так и зарубежными специалистами, проблему нельзя считать полностью решенной.

БЛОК ПИТАНИЯ ЭЛП

Рис. I. Функциональная схема установки ЭЛС ЭЛП - электронно-лучевая пушка, ЮС - юстирующая система, Л - линза, ОС - отклоняющая система, БПЯ - блок питания накала катода, БПУН - блок питания ускоряющего напряжения, БИС - блок питания напряжения смещения, РТЭГ1 - регулятор тока электронного пучка, ВВК - высоковольтный кабель, ЭОС - электронно-оптическая система, БШОС - блоки питания юстирующих систем, БИЛ - блок питания линзы, БИОС - блоки питания отклоняющих систем. БЦД - блоки питания двигателей, ДТД -датчик тока, проходящего через деталь, ДОЗ - датчик отраженных электронов

Доказано, что наиболее подходящим методом для контроля режима плавления в случае сварки малогабаритных деталей является измерение тока, проходящего через деталь. Это, обусловлено тем, что величина полезного сигнала определяет весь ток термоэлектронной эмиссии, который является функцией температуры изделия. Проблема электрической изоляции деталей и оснастки от корпуса установки при сварке малогабаритных деталей не возникает.

Вторая глава диссертационной работы посвящена разработке структуры й модели системы управления установки электронно-лучевой сварки. Выделены основные элементы установки ЭЛС, обеспечивающие решение задачи регулирования режима прецизионной ЭЛС. Составлена функциональная схема системы управления установки электронно-лучевой сварки. Основными элементами системы (рис. 2) являются: источник питания электронной пушки, электронная пушка, сварочная ванна, датчик тока, проходящего через деталь с фильтром сигнала, стабилизаторы тока накала катода, ускоряющего напряжения и тока луча, управляющее устройство.

лЬ'у лис

¿у> 4|„ лН/1.1

неизменяемая часть

±__*_X

I >

источник "*"] 5

Ц'у | питания I | и , | о | ; электронной >.

и-с I П»'шки ¡Ми,'

I

сварочная: | „

8ЭНИЭ

Г

фильтр

"стабилизатор 1

накала катода

К'

Т

I 1 стабилизатор '

| (ускоряющего напряжения]

I I и*у упр.

стабилизатор тока луча

[iv,

упразляющ&е устройство

Рис.2 Функциональная схема системы управления установки электронно-лучевой сварки

Рассмотрены возмущающие воздействия, подробное описание которых приводится при исследовании системы в гд.З. Сделан вывод о необходимости рассмотрения всех элементов, входящих в неизменяемую часть системы, и получения их математических моделей.

Наиболее сложными объектами управления неизменяемой части системы являются термоэмиссионная электронная пушка и сварочная ванна. Из-за сложности, нелинейности и трудности определения параметров этих процессов получить модель аналитически ке представляется возможным. Поэтому в работе использован экспериментальный метод определения моделей основных объектов управления.

Модель трехэлектродной термоэмиссионной электронной пушки получена экспериментальным путем. Результаты проведенных исследований на модели б диапазоне ускоряющих напряжений 30 - 60 кВ, при токе накала 0 - 17 А и напряжении смещения 0 - 2 кВ соответствуют экспериментальным данным с точностью, не превышающей погрешность измерительных приборов. Для сопоставления результатов моделирования с экспериментальными данными на рис. 3 жирными линиями обозначены вольтамперные характеристики, полученные экспериментально в гл.4.

Рис. 3, Зависимости тока электронного пучка /„ от ускоряющего напряжения 1>у и напряжения управляющий электрод-катод Пущ (напряжения смещения), полученная с помощью модели при токах накала 16 А (а) и 14 А (б)

Модечь составлена на основе экспериментально полученной вольтамперьой характеристики, снятой при ускоряющем напряжении 30 кВ, представленной функцией Р',(ис<) При изменении управляющих воздействий - ускоряющего напряжения £/>, напряжения смещения 11с и тока накала катода /„ необходимо вносить соответствующие поправки для вычисления значения тока электронного пучка (луча) /„ Для этого в систему введены нелинейные поправочные фунгции^С/у) и/г3(Ц)

Получена модель объекта нагрева, плавления и испарения металла (сварочной ванны) под действием электронного луча Выходной величиной для рассматриваемого объекта является ток, проходящий через деталь Объект включает в себя процессы преобразования энергии ускоренных электронов в тепловую энергию при их торможении в металле Скорость нагрева будет зависеть от целого ряда параметров, таких как материал и размеры детали, скорость отвода тепла от детали, глубина проникновения электронов и тп При нагреве выше температуры плавления образуется жидкая ванна металла Расплавленный металл является источником электронов, что объясняется механизмом термоэлектронной эмиссии При более продолжительном воздействии луча металл начинает интенсивно испаряться, и мощность луча частично рассеивается парами При достаточной мощности источника нагрева возникает автоколебательный процесс рассеяния энергии электронов парами металла Все описанные процессы оказывают влияние на временную зависимость сигнала тока, проходящего через детали Установлено, что уменьшение сигнала тока /м* при воздействии электронного луча на образец связано с увеличением тока термоэлектронной эмиссии, являющегося функцией температуры Проанализированы причины появления переменных составляющих в сигнале /м*

Ка основании экспериментального анализа переходных функций, с использованием известны* аналитических зависимостей и метода перебора, полечена эквивалентная модель, разработанная применительно к системе

управления, связывающая указанные входные величины с зависимостью //(О Модель представлена в виде сгруктурной схемы, приведенной на рис 4

Источник питания токз кэ'^а катода

Рис. 4.Структурная схема неизменяемой части системы управления установки электронно-лучевой сварки

Входными величинами для объекта «сварочная ванна» являются ток пучка /,„ ускоряющее напряжение Г7У, скорость сварки Ксв В качестве возмущающего воздействия рассматривается изменение толщины детали, задаваемой в впдз параметра НГС1 Выходным параметром 0\ яьляется ток, проходящий через деталь /м

Исследования разработанной модели и сопоставление динамических характеристик объекта 0\ -ссварочная ванна» с экспериментальными данными

подтвердили адекватность полученных результатов Разработанная модель может применяться длч разработки систем управления электронно-лучевых сварочных установок, использующих в качестве выходной величины ток, проходящий через детали в диапазоне ускоряющих напряжений 30 - 60 кВ. по токах луча 0-10 мА, толщин детали 0,1 - 1 мм и скоростей перемещения детали относительно луча 200 - 2000 мкм/с.

С использованием разработанных моделей элементов системы составлена полная модель, структурная схема которой приведена на рис 4 Показано, что основным условием, обеспечивающим решение поставленной задачи стабилизации геометрических параметров сварного шва, является разработка и исследование алгоритма выделения сигнала обратной связи и поиск критериев рабочего режима сварки Разработан оригинальный алгоритм выделения сшнала обратной связи по кривой тока, проходящего через деталь, который был положен в основу предложенной системы импуаьсного регулирования теплового режима сварочной ванны

Разработана импульсная система регулирования режима сварочной ванны, структурная схема которой приведена на рис 5, и приводится методика выбора параметров элементов и настройки системы

Рве. 5. Структурная схема репейной системы управления тепловым режимом сварочной вакны

Третья глава посвящена исследованию разработанной системы управления на модели, составленной в пакете прикладных программ МаМаЬ/БитшЬпк (рис 6) Проведены исследования режимов пуска системы, а также влияния на точность регулирования таких воздействий как: изменения амплитуды тока луча и частоты его модуляции, величины ускоряющего напряжения, толщины свариваемых деталей и скорости перемещения изделия относительно луча, которые подтвердили работоспособность системы и возможность компенсации возмущающих воздействий с точностью не менее 3-4%

Е-

-•ЕМЖНЗНМБЭ

О-

ЕЪ

»[711 .»ВЦ.» —«0

-В-

-¡ш]

Рис. б. Блок-схема компьютерной модели системы

В четвертой главе описана методика экспериментальных исследований электронной пушки, сварочной ванны и системы в целом

Разработана методика экспериментального определения модели трехэлектродной электронной пушки На рис 7 приведена схема измерения электрических параметров на электронно-лучевом агрегате ЭЛА-60/15

Для определения зависимости между тепловым режимом сварочной ванны и током в изделии, были проведены экспериментальные исследования на установке микросварки типа ЭЛУРО-М Схема экспериментального стенда приведена на рис 8

Рис. 7. Схема измерения электрических параметров электронной пушки

Рис. 8. Схема измерения тока, проходящего через детали, и тока луча на установке ЭЛУРО-М.

1 - образец , 2 - фиксатор, 3 - корпус датчика, 4 - медная пластина, 5 - цилиндр Фарадея, 6 - керамические изоляторы.

7 - экранированные проводники Приведенная схема измерения позволяет регистрировать ток, проходящий чрерз детали Д,. являющийся выходным сигналом сварочной ванны (Вход1, сигнал /„*) и ток пучка /п (Вход2, сигнал /„*), представляющий собой входной сигнал. Измерения проводились для режимов импульсного и непрерывного воздействия электронного луча на образцы из стати 12Х18Н10Т толщиной от

О 1 до 1 мм. Типовая осциллограмма тока /м*, проходящего через образец, и тока пучка /„* при неуправляемом режиме прецизионной сварки на установках рассматриваемого класса, приведена на рис 9.

Исследования показали, что наличие спадающего участка во временной зависимости сигнала тока /м* (на рис 9 временной интервал 50-250 мке), характеризует так называемый «мягкий» режим плавления, без интенсивного парообразования и выброса металла, что обеспечивает желаемые параметры шва Количественная связь величины тока, проходящего через деталь, с параметрами шва устанавливалась на основании геометрических показателей сварного соединения, в частности, ширины шва

Проведены экспериментальные исследования влияния тока луча, скорости перемещения образца и его толщины на характеристику тока, проходящего чрез образец Выявлены основные закономерности, влияющие на положение характерных участков временной зависимости тока, стекающего с детали, количественная оценка которых позволила определить модель сварочной

ванны

На основании исследований комбинированная

результатов предложена реализация

системы, в которой стабилизаторы тока луча, ускоряющего напряжения и тока накала катода выполняются в виде аналоговых схем,

функционально встроенных в

чоч 6г& 1000 м"-

Ряс. 9. Временные зависимости соответствующие источники питания, сигсалаюка, стекающего с образца имеющих внешнее аналоговое

(/и*) н ¡ока пучка (1„*/1 полученные экспериментально

управление, а управляющее устройство

реализовано на базе промышленной ЭВМ Проведены экспериментальные исследования системы управления тепловым режимом сварочной ванны в режимах пуска при различных

значениях тока луча, а также изменении скорости сварки и толщины детали. На рис. 10 приведены осциллограммы токов луча 1„ и тока, проходящего через деталь /м, иллюстрирующие работу системы управления в режиме пуска при сварке предварительно непрогретой цилиндрической детали из циркониевого сплава диаметром 4 мм с толщиной стенки 0,2 мм.

1 ■ ■! - _ ■ _________!j y:;'*. • » ~ : • ••• • . . . mV-; .-: r~L •!■■/; ..-:; , ■ ;__

Í_______.......... , __/......? f ,..... ____________ _____¡____

f ' i i / i__и_____ i ____L. . 1 1 ШШОТЙШМ lili 11 un.......

i i 1 I ■ 1 \ ) \ } ¡ i \J ¡ | •t i !Í

ж f. i-

б в

Рис. 10. Экспериментальное исследование системы управления режимом сварочной ванны: осциллограммы тока управляющего сигнала, тока луча и тока, стекающего с

детали, рассчитанные на модели системы (а); осциллограммы тока, стекающего с детали, полученные экспериментально (б); фотография полученного сварного шва (в)

Осциллограмма на рис. 10, а получена на модели системы рис. 6, а осциллограмма на рис. 10, б получена экспериментально на электроннолучевой установке. На рис. 10, в приведена фотография свариваемой детали, доказывающая неизменность по длине детали ширины сварного шва. Приведенные на рис. 10, а и б осциллограммы подтверждают функционирование предложенной системы управления и адекватность разработанной модели.

В заключении обобщены основные результаты и выводы по работе

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

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

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

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

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

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

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

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Щербаков A.B. Разработка системы управления качеством сварного шва при прецизионной электронно-лучевой сварке // Вестник МЭИ. -2007.-№5.-С. 52-58.

2 Щербаков A.B., Рубцов В.П. Разработка модели электронной пушки для прецизионной сварки !> Вестник МЭИ. - 2007. - №4. - С. 60-65.

3 Козлов А.Н., Гайдукова И.С., Уваев А.Г., Щербаков A.B., Филачев A.M. Вакуумное технологическое оборудование для нришводства изделий микрофотоэлектроники // Прикладная физика. -2006. -№3.- С. 32-37.

4 Козлов А.Н., Гринфельд Д.Э., Щербаков A.B., Филачев A.M. Автоматизированный контроль технологических параметров вакуумного оборудования как обеспечение непрерывного контроля качества // Прикладная физика. - 2006. - J>»3. - С. 38-45.

5 Щербаков А В Проблемы автоматизации современной электроннолучевой сварочной аппаратуры // Тринадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» Тез докл, Т2 -М МЭИ, 2007 - С 185-186

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

7 Щербаков А.В, Гринфетьд Д Э Математическое моделирование тепловых, газодинамических и эмиссионных процессов взаимодействия электронного пучка с металлами // Восьмой Всероссийский семинар «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптикй» Тез докл -М. ФГУП «НПО «Орион», 2007 - С 100-101

о Щербаков А В, Козлов А H, Уваев А Г и др Современное техночогическое оборудование для электронно-лучевой сварки // Восьмой

Всероссийский семинар «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики» Тез докл -М ФГУП «НПО «Орион», 2007 -С 81-82 9. Щербаков AB Разработка регулятора тока луча в системе автоматического управления электронно-лучевой сваркой // Одиннадцатая Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» Тр-М МЭИ, 2006, часть 2 - С 118-119

10 Щербаков А В , Козлов А Н, Уваев А Г, Гринфельд Д Э Автоматизация технологического процесса электронно-лучевой сварки // Девятнадцатая Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения Тез докл, М ОаО «Щербинская типография», 2006 - С 52

11 Козлов А Н, Гринфельд Д Э, Щербаков А В, Филачев А М Автоматизированный контроль технологических параметров вакуумного оборудования как обеспечение непрерывного контроля качества // Труды Международного общества nq оптической технике, 2006, том 6278 - С 62780 С-1 - 62780 С-7

12 Козлов А Н, Гайдукова И С , Уваев А Г , Щербаков А В , Филачев А М Вакуумное технологическое оборудование для производства изделий микрофотоэлектроники //' Труды Международного общества по оптической технике, 2006, том 6278.-С 62780 А-1-62780 А-5

13 Патент №64548 РФ, МПК В23К15/00 Устройство для рег> тирования процесса электронно-лучевой сварки / Щербаков А В, Филачев А М, Пономаренко В П., Козлов А Н, Гринфельд Д Э опубл 10 07 2007-Бюл №19

14 Патент №64972 РФ, МПК В23К15/00 Устройство для регулирования процесса электронно-лучевой сварки / Щербаков AB., Филачев AM, Пономаренко В.П., Козлов А Н„ Гринфельд Д.Э опубл 27 07 2007-Бюл №21.

15 Патент №68946 РФ, МПК В23К15/00, В23К37/04. Установка для электронно-лучевой сварки цилиндрических изделий / Козлов А Н, Уваев А Г . Филачев А М, Щербаков А.В Юрьев А А. опубл 10 12 2007 -Ьюл №34

Подписано в печать (Ь ih ^¿<~3ак. 6 Тир. ¡00 Пл. Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

Введение.

Глава 1. Анализ особенностей технологии и уровня развития систем управления установками прецизионной электронно-лучевой сварки

1.1. Технология и оборудование для электронно-лучевой сварки.

1.2. Системы управления электронно-лучевыми сварочными установками.

1.3. Формулирование целей и задач исследования.

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

2.1. Разработка функциональной схемы системы управления.

2.2. Разработка математической модели электронной пушки.

2.3. Разработка математической модели сварочной ванны.

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

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

2.6. Синтез системы управления установки электронно-лучевой сварки.

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

Глава 3. Исследование системы управления установки электронно-лучевой сварки

3.1. Проверка алгоритма текущей идентификации объекта управления.

3.2. Исследование режима пуска системы.

3.3. Проверка системы на устойчивость при влиянии возмущений.

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

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

4.1 .Экспериментальное исследование трехэлектродной термоэмиссионной пушки.

4.2. Идентификация процессов в сварочной ванне.

4.3. Описание реализации разработанной системы.

4.4. Экспериментальное исследование разработанной системы.

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

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) широко применяется при изготовлении прецизионных сборочных единиц в машиностроении, сварке деталей из химически активных, разнородных и тугоплавких материалов. К преимуществам данной технологии относится высокое отношение глубины проплавления к ширине (до 10:1 при «кинжальном» проплавлении), возможность концентрации энергии во всем диапазоне термического I о о воздействия (от 10 до 5-10 Вт/см ), ведение процесса в вакууме, что обеспечивает чистоту сварного шва, а также возможность полной автоматизации процесса.

Указанные преимущества технологии делают актуальным ее применение для целей прецизионной сварки тонкостенных деталей и микросварки, герметизации корпусов в атомной, авиационной и электронной промышленности. Как правило, ЭЛС применяется для сварки наиболее ответственных деталей. При этом точность поддержания теплового режима и его воспроизводимость являются основными условиями высокого качества сварных швов. Поэтому задача автоматизации процесса сварки, обеспечивающая достижение стабильности процесса при различных возмущениях является актуальной.

В настоящее время проблемы управления манипуляторами, вакуумным оборудованием и источниками питания, в основном, решены. Нерешенными являются задачи управления тепловым процессом сварки.

В диссертации, посвященной разработке системы управления тепловым режимом сварочной ванны при прецизионной сварке в электронно-лучевой установке, решается целый ряд научных и технических задач, таких, как разработка требований к элементам технологического оборудования, выбор способа контроля теплового режима сварочной ванны и разработка функциональной схемы системы управления. Проведены экспериментальные исследования электрических и тепловых режимов процесса прецизионной сварки в электронно-лучевой установке с целью определения зависимостей между качеством сварного шва и током, проходящим через изделие. Кроме того, на основе аналитических и экспериментальных исследований получены математические модели процессов в сварочной ванне и системе управления, разработан оригинальный алгоритм управления тепловым режимом сварочной ванны по сигналу тока, проходящего через деталь, обеспечивающий стабилизацию параметров сварного шва при изменении температурных условий и формы детали. Проведены аналитические и экспериментальные исследования предложенной релейной системы управления тепловым режимом сварочной ванны.

Указанный комплекс задач определяет структуру и содержание работы, состоящей из четырех глав:

Выводы по результатам исследований, приведенных в гл.4

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

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

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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