Повышение эффективности электронно-лучевой сварки посредством синхронизации в системе СПУ геометрических и электрических осей
Опубликовал 18 September 2012 | Автор
Автор Коваленко А.В.
ОАО «Национальный институт авиационных технологий», Москва, Россия
Одним из наиболее распространенных процессов получения неразъемного соединения является сварка. Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) применяется при изготовлении сварных конструкций из химически активных и тугоплавких металлов, используемых в летательных аппаратах. Технологическое оборудование, реализующее процесс ЭЛС (электронно-лучевые установки или ЭЛУ), российского производства обладает невысокой эффективностью, что во многом обусловлено отсутствием единой концепции построения систем управления данным видом оборудования. Ниже изложено одно из решений задачи повышения эффективности ЭЛС.
Системы управления, используемые в настоящее время в ЭЛУ российского производства, по уровню функциональности значительно уступают аналогам, применяемым в механообрабатывающем технологическом оборудовании. Большинство таких систем управления выполнено по децентрализованной двухкомпьютерной схеме (рис. 1), где один компьютер управляет взаимным перемещением свариваемых деталей и электронно-лучевой пушки (ЭЛП), а другой – параметрами электронного луча [1].
Рис. 1. Наиболее распространенная схема системы управления ЭЛУ российского производства
При этом для управления необходимыми перемещениями, как правило, используется единый стандартизованный язык ISO-7bit [2], принятый большинством ведущих мировых производителей для написания управляющих программ, а для управления электронным лучом – электронные таблицы (например, таблицы Microsoft Excel), либо нестандартные языки программирования собственной разработки. Синхронизация управления производится оператором в ручном или полуавтоматическом режиме, что приводит к периодическому возникновению дефектов формирования сварного шва, таких как непровар или прожог. Управление всеми периферийными устройствами (насосы для откачки воздуха из вакуумной камеры, вакуумные клапаны и т.п.) в таких системах осуществляется вручную с отдельного пульта.
Рис. 2. Схема разработанной системы управления
С целью минимизации вероятности появления дефектов в сварном шве, а также для повышения производительности ЭЛС в ОАО «Национальный институт авиационных технологий» разработана функциональная схема системы ЧПУ, позволяющая с высокой точностью синхронизировать управление необходимыми перемещениями и параметрами электронного луча (рис. 2). Данная система ЧПУ базируется на коммерческой системе управления типа PCNC [3]. Для управления взаимными перемещениями свариваемых деталей и ЭЛП (геометрическими осями) используется геометрический ISO-процессор [4], реализованный в базовой системе управления. Управление работой ЭЛП осуществляется при помощи четырех электрических сигналов [5], параметры которых задаются посредством четырех параметров, оформленных в системе ЧПУ в виде виртуальный осей, названных электрическими осями. Управление всеми периферийными устройствами реализуется при помощи программируемого логического контроллера (ПЛК), входящего в состав базовой системы ЧПУ.
Для передачи управляющих сигналов на силовой блок ЭЛП в состав системы управления введен модуль управления ЭЛП [1]. Он подключается к базовой системе ЧПУ при помощи промышленной шины, используемой для связи с модулями управления электродвигателями, и представляет собой быстродействующий контроллер, сочетающийся с цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП).
Рис. 3. Конвейер обработки данных в разработанной системе управления
Рис. 4. Алгоритм работы модуля управления ЭЛП
В процессе обработки управляющей программы на этапе интерполяции производится разделение потоков геометрических и электрических осей (рис. 3). Поток геометрических осей обрабатывается стандартными алгоритмами, входящими в состав базовой системы ЧПУ. Поток электрических осей направляется в ПЛК, формирующий на основании мгновенных значений координат и типа интерполяции для каждой электрической оси телеграмму со специфическим заголовком, отличным от заголовков телеграмм, предназначенных для модулей управления электродвигателями. Далее данная телеграмма направляется на сетевой интерфейс промышленной шины и по ней передается в модуль управления ЭЛП. На основании содержания данной телеграммы модуль формирует один из шести типов сигнала (рис. 4):
- фиксированное значение;
- значение, полученное путем линейной интерполяции между двумя заданными;
- значение, полученное путем круговой интерполяции между двумя заданными (параметры интерполяции задаются отдельно);
- активация генератора сигнала типа “синусоида” с заданной частотой;
- активация генератора сигнала типа “пила” с заданной частотой;
- активация генератора сигнала ступенчатого типа с заданной частотой и количеством ступеней на период.
Приведенная схема позволяет обеспечить рассогласование между потоками геометрических и электрических осей порядка 0.05 сек, что гораздо меньше времени реакции ЭЛП на управляющее воздействие.
Таким образом, система управления ЭЛУ, построенная в соответствие с разработанной функциональной схемой, обеспечит высокоточную синхронизацию управления параметрами электронного луча и взаимными перемещениями свариваемых деталей и ЭЛП, что позволит значительно снизить количество дефектов формирования сварного шва, а также повысить производительность данного вида технологического оборудования.
В настоящее время разработанная система управления внедряется на ЭЛУ, используемых в опытном производстве ОАО “Национальный институт авиационных технологий”. Проведенные исследования и анализ результатов испытания показали значительное повышение эффективности ЭЛС: уменьшение количества дефектов в сварных соединениях наибольшей сложности с 16% до 2%, сокращение времени на всех этапах цикла проведения ЭЛС в 1.5-2.5 раза, а также снижение себестоимости проведения работ по изготовлению деталей с помощью ЭЛС в 2-3 раза.
Литература
- Плихунов В.В., Шлесберг И.С., Коваленко А.В. Перспективы развития систем управления современных установок электронно-лучевой сварки // Авиационная промышленность. – 2008. – №4. – С. 16-20.
- Сосонкин В.Л., Мартинов Г.М. Концепция геометрического ISO-процессора для систем ЧПУ // СТИН. – 1994. – №7. – С. 12-20.
- Сосонкин В.Л., Мартинов Г.М. Концепция числового программного управления мехатронными системами: архитектура систем типа PCNC // Мехатроника. – 2000. – №1. – С. 26-29.
- Сосонкин В.Л., Мартинов Г.М. Концепция геометрического ISO-процессора для систем ЧПУ // СТИН. – 1994. – №7. – С. 12-20.
- Мартинов Г.М., Плихунов В.В., Коваленко А.В. Расширение функциональных возможностей системы ЧПУ для управления установкой электронно-лучевой сварки // Авиационная промышленность. – 2009. – №1. – С. 16-21.
