Разработка физико-математических моделей и микропроцессорных систем контроля и управления процессом аргонодуговой сварки тонкостенных изделий ответственного назначения

Аргонодуговая сварка — прогрессивный метод создания неразъемных соединений металлов и сплавов для ответственных и дорогостоящих изделий атомной, авиационной, космической и пищевой промышленности. Работа посвящена совершенствованию технологии автоматической однопроходной аргонодуговой сварки (АДС) стыковых соединений из коррозионностойкой стали толщиной до Змм без разделки кромок. Такие соединения необходимы для большого числа изделий в атомной, авиационной, космической и пищевой промышленности: продольные стыки тонкостенных труб и чехлов теплообменников для АЭС, плоские пластины при изготовлении элементов ракетно-космической техники, прямые и кольцевые стыки емкостей для пищевых продуктов и продуктов нефтехимического производства и др. Для этих изделий вопросы недопустимости брака и обеспечения высокого качества сварного шва являются первостепенными. В 70-х — 80-х годах 20-го века в работах Б. Е. Патона [5], [7], ВТС. Лебедева [3], [4], Э. А. Гладкова [1], Н. С. Львова, В. В. Смирнова, A.B. Петрова, М. Л. Лифшица [6], Г. А. Славина, В. А. Букарова и др. были разработаны теоретические основы автоматизации аргонодуговой сварки, на основании которых ведущими предприятиями страны создана широкая гамма автоматизированного оборудования. Однако разработанное оборудование не позволяло в полной мере управлять качеством сварного соединения из-за низкого быстродействия вычислительных систем и сложности оперативного изменения параметров аналоговых регуляторов. Приемлемая эффективность была достигнута лишь при производстве однотипных крупносерийных изделий, для которых были подобраны адекватные математические модели и созданы оптимальные аналоговые регуляторы. В настоящее время значительно увеличился ассортимент свариваемых конструкций, сократились сроки освоения производства новых изделий с одновременным повышением требований к качеству и необходимостью паспортизации каждой детали. Высокая конкуренция, повышение цены на металл и электроэнергию еще сильнее ужесточили требование к недопустимости брака в сварном соединении.

Начиная с 90-х годов прошлого века, начала бурно развиваться микропроцессорная техника. Стали доступны быстродействующие ЭВМ, появились новые семейства микроконтроллеров и быстродействующих полупроводниковых приборов. Применение в сварочном оборудовании современной элементной базы позволило на новом уровне в цифровом виде решить задачи управления качеством аргонодуговой сваркой, разработать новые законы управления, создать и внедрить микропроцессорные системы контроля и управления процессом аргонодуговой сварки.

Цель работы: повышение качества и стабильности формирования шва при аргонодуговой сварке тонкостенных изделий ответственного назначения за счет внедрения микропроцессорных систем контроля и управления процессом.

Для достижения поставленной цели сформулированы задачи работы:

1. Провести анализ процесса автоматической АДС как объекта управления, определить входные и выходные параметры для систем управления качеством шва.

2. Разработать физико-математические модели связи параметров качества сварного шва с параметрами процесса и сигналами от датчиков физической информации из зоны сварки. Разработать законы управления качеством сварного шва.

3. Разработать методы защиты микропроцессорных систем контроля и управления от электромагнитных помех при АДС.

4. Разработать аппаратную часть и программное обеспечение микропроцессорных систем контроля и управления процессом АДС на 1 основе разработанных моделей и законов управления. $ 5. Изготовить, испытать и внедрить результаты работы в производство. I I г ч.

Методы исследования.

При проведении исследований, разработке математических моделей, программного обеспечения и микропроцессорных систем использованы законы теплового излучения, электротехники и электроники, полупроводниковой и прикладной оптики, современной теории автоматического управления. При расчетах на ЭВМ использовался пакет прикладных программ пакета Lab View и программы собственной разработки в среде Pascal, Delphi. Для разработки аппаратной части микропроцессорных систем использовался пакет автоматизированного проектирования печатных плат PCAD и элементов конструкции ACAD. Программы для микроконтроллеров разрабатывались на языке Ассемблер и Си в среде MPLAB и VisualDSP++. Для исследования применялось современное цифровое оборудование Tektronix, Advantech, National Instruments и др.

Научная новизна.

1. Применение быстродействующей микропроцессорной техники позволило в цифровом виде реализовать известные и предложить новые адаптивные алгоритмы управления процессом аргонодуговой сварки, использующие физическую информацию из зоны сварки для управления качеством сварного шва в условиях действия различных технологических возмущений.

2. На основе установленных физико-математических зависимостей, связывающих показатели качества шва с физической информацией из зоны сварки, создана управляющая программа, использующая регрессионные и нейросетевые алгоритмы, обеспечивающая получение качественного соединения при технологических возмущениях различной физической природы.

3. Предложена методика, разработаны алгоритмы и создана компьютерная модель синтеза наиболее простой структуры системы управления качеством сварки на основе анализа возмущений в сварочном контуре «источник питания — дуга — сварочная ванна» .

4. Разработана математическая модель световых полей в зоне аргонодуговой сварки, позволяющая обосновать возможность использования сварочной дуги для подсветки стыка в оптических системах слежения при аргонодуговой сварке. Предложен алгоритм определения положения стыка в следящих системах с оптическими датчиками на основе корреляционного анализа сигналов от реального стыка и его идеального образа.

Практическая значимость.

1. Установленные законы управления качеством сварки могут быть использованы при проектировании различных систем управления АДС.

2. Разработанные алгоритмы, программно-аппаратные средства обмена информацией, средства защиты цифровой аппаратуры от помех рекомендованы разработчикам цифрового сварочного оборудования для других способов сварки.

3. Некоторые из разработанных цифровых приборов сертифицированы и внесены в государственный реестр средств измерения, что позволяет применять их в промышленности, учебных заведениях и научных учреждениях, сертификационных центрах национального агентства контроля и сварки (НАКС) при аттестации сварочного оборудования, технологий и материалов.

4. Созданные аппаратные и программные измерительные средства и цифровые системы управления процессом АДС используются в учебном процессе в цикле дисциплин по автоматизации сварочных процессов.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработки проведены на кафедре технологий сварки и диагностики МГТУ им. Н. Э. Баумана, в лаборатории микропроцессорные системы управления НРШКМиТП МГТУ им. Н. Э. Баумана и в ФГУ «НУЦ Сварка и контроль» МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Разработки внедрены на предприятиях: филиал ФГУП Инвестиционно-строительный концерн «Росатомстрой» НИКИМТ (г. Москва), ОАО Машиностроительный завод «Элемаш» (г. Электросталь), ООО ВНИИГАЗ (г. Москва), ГУЛ МОСГАЗ (г. Москва), ОАО Вологодский механический завод (г. Вологда), ОАО ПЗ «Машиностроитель» (г. Пермь), ООО Русские Инновационные Технологии (г. Москва), ЗАО Пензенское конструкторско-технологическое бюро арматуростроения, аттестационные центры НАКС и других. Разработки внедрены в серийное производство на предприятиях: НПО Технотрон (г. Чебоксары), ЗАО Завод электрооборудования (г. Москва), ООО АПС РАДИС (г. Москва).

Публикации по теме диссертации. По теме диссертационной работы опубликовано более 30 печатных работ в отечественных и зарубежных изданиях (в том числе 9 в изданиях, рекомендованных ВАК), разработанные системы ежегодно демонстрировались на российских и международных выставках по сварочному оборудованию.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на российских и международных конференциях: Научно-техническая конференция стран СНГ Производство и надежность сварных конструкций г. Калининград Московской обл. 1993, Международная научно-техническая конференция Современные проблемы сварочной науки и техники Ростов-на-Дону 1993, Российская научно-техническая конференция 165 лет МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва.

1995, Научно-техническая конференция Современные проблемы сварочной науки и техники Пермь 1995, Международная научно-техническая конференция Современные проблемы и достижения в области сварки, родственных технологий и оборудования, Санкт-Петербург 1995, Международная научно-практическая конференция «Сварка — 96», Минск,.

1996, Всероссийская научно-техническая конференция Машиностроительные технологии МГТУ им. Н. Э. Баумана Москва 1998, Международная научно-техническая конференция Современные проблемы и достижения в области электротехнологий XXI века Санкт-Петербург 2001, Всероссийская научно-техническая конференция Перспективы пути развития сварки и контроля Сварка и контроль Воронеж 2001, Международная научно-техническая конференция Сварка и родственные технологии в современном мире Санкт-Петербург 2002, Международная научно-техническая конференция Проблемы сварки и прикладной электротехники Иваново 2003, Всероссийская конференция Сварка и Контроль 2004 посвященная 150-летию со дня рождения Николая Гавриловича СЛАВЯНОВА Пермь 2004, Заседания секции Источники питания и системы автоматического управления сварочным оборудованием Межгосударственного Научного Совета по сварке и родственным технологиям Крым 2003, Санкт-Петербург 2005, Крым 2007.

Личный вклад автора. Вклад автора в разработки от 50 до 90% в качестве инженера, программиста, научного работника и руководителя лаборатории.

Основные результаты и выводы.

1. Разработаны и реализованы в виде программ физико-математические модели, связывающие показатели качества сварки с физической информацией из зоны сварки. На базе этих моделей разработаны микропроцессорные системы управления сварочным комплексом, минимизирующие вероятность образования дефектов в сварном соединении при возмущениях различной физической природы.

2. Разработан программно-аппаратный комплекс, позволяющий проанализировать стабильность параметров сварочного оборудования и синтезировать оптимальную структуру цифровой системы управления, минимизирующей возможность появления дефектов при сварке.

3. Созданная математическая модель распределения освещенности в зоне сварки позволила разработать следящие системы за стыком с оптическими датчиками, использующими световое излучение от дуги для подсвета зоны измерения.

4. Применение цифровых технологий на всех стадиях управления процессом позволило реализовать новые технологические возможности существующих аргонодуговых сварочных установок: управление наведением электрода на стык, управление проплавлением, управление качеством сварного стыка по нейросетевым моделям.

5. Разработана линейка цифровых многоканальных систем контроля параметров процесса аргонодуговой сварки. Некоторые приборы внесены в государственный реестр средств измерения, производятся серийно и широко применяются в промышленности, сертификационных центрах национального агентства контроля и сварки (НАКС), в ученных и исследовательских учреждениях.

6. Научные и технические результаты работы опубликованы в печати. Разработанные системы нашли применение в учебном процессе в курсе Автоматизация сварочных процессов.

7. Разработаны аппаратные и программные средства защиты микропроцессорных устройств от помех при аргонодуговой сварке, существенно повышающие надежность работы автоматических систем управления.

8. За 15 лет разработано несколько десятков различных микропроцессорных устройств для контроля и управления процессом аргонодуговой сварки. Внедрены в производство в общей сложности около 100 различных систем контроля и управления процессом аргонодуговой сварки. Пять устройств переданы для серийного производства на предприятия России.