WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

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

Москва – 2008

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 Аврамович

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 Совет МЭИ (ТУ)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО МЭИ (ТУ)

Автореферат разослан «____» января 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, профессор Цырук С.А.

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 относится высокое отношение глубины проплавления к ширине (до 10:1 при «кинжальном» проплавлении), возможность концентрации энергии во всем диапазоне термического воздействия (от 103 до 5108 Вт/см2), 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 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 прецизионной сварке в электронно-лучевой 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 аналитических и экспериментальных исследований математических моделей 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 управления.
  7. Аналитическое и экспериментальное исследования разработанной системы адаптивного управления 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, обоснованностью 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 электронно-лучевого 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 термоэмиссионную электронную пушку с регулятором тока луча и датчик сигнала обратной связи на основе контроля тока, проходящего 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 электронно-лучевых 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), VII-VIII 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 том 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 автоматического управления установками ЭЛС, применяемыми для целей прецизионной сварки. Приведено описание технологии и оборудования для ЭЛС. Приводится классификация систем управления режимом электронно-лучевой сварки. Выбран способ управления процессом ЭЛС.

Показано, что при взаимодействии электронов малых энергий (E~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 систем управления процессом ЭЛС обусловлены сложностью физических процессов формирования рабочего пучка 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.

Рис. 1. Функциональная схема установки ЭЛС

ЭЛП электронно-лучевая пушка, ЮС юстирующая система, Л линза,

ОС отклоняющая система, БПН блок питания накала катода,

БПУН блок питания ускоряющего напряжения, БПС блок питания напряжения смещения, РТЭП регулятор тока электронного пучка,

ВВК высоковольтный кабель, ЭОС электронно-оптическая система,

БПЮС блоки питания юстирующих систем, БПЛ блок питания линзы,

БПОС блоки питания отклоняющих систем, БПД блоки питания двигателей, ДТД датчик тока, проходящего через деталь, ДОЭ 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 и 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.

Рис.2 Функциональная схема системы управления установки

электронно-лучевой сварки

Рассмотрены возмущающие воздействия, подробное описание которых приводится при исследовании системы в гл.3. 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 не представляется возможным. Поэтому в работе использован экспериментальный метод определения моделей основных объектов управления.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»