книги / Электронно-лучевая сварка и смежные технологии

Мо д у л ь 6
П К | O l	Переносной
	пульт	|
П Ш	\
		Источник	Э л е к ­
		питания	тронная
		электронной	пушка
		пушки

О	-	г
	Г|Сваривасмое I
Япйгтпп.	|излелие		|
—►двигатели	Манипулятор		|
	и	и

J Вакуумная система I

Р и с . 3 8 . Ф у н к ц и о н а л ь н а я с х е м а д в у х у р о в н е в о й м и к р о п р о ц е с с о р н о й с и с т е м ы у п р а в л е н и я д л я с л о ж н ы х к р у п н о г а б а р и т н ы х у с т а н о в о к э л е к т р о н н о - л у ч е в о й с в а р к и и т е р м о о б р а б о т к и

по иерархическому принципу, при котором на каждом уровне обес­ печивается контроль и управление локальной функциональной си­ стемой или подсистемой с рациональным объемом информации. С учетом существующей элементной базы такому подходу отве­ чает двухуровневая система управления, которая должна быть многомашинной (модульной), многозадачной и распределенной.

В соответствии с этим разработана гибкая модульная система управления, позволяющая реализовывать как полную или усечен­ ную двухуровневую систему управления, так и отдельные локаль­ ные системы управления. Система управления в полной конфигу­ рации (рис. 38) позволяет осуществлять:

■контроль и диагностику (в том числе и запись) параметров сварочной пушки, геометрии электронного пучка, техноло­ гического процесса сварки и термообработки;

■программное управление:

режимами сварки и термообработки; траекторией и скоростью манипулятора;

■ автоматическое управление: вакуумной системой; поиском стыка;

слежением за стыком (прямолинейным, криволинейным и типа трубка-трубная доска);

для электронно-лучевой сварки

91

записью и многократным воспроизведением траектории свариваемого или сваренного стыка; фокусировкой электронного пучка;

■телевизионное наблюдение во вторичной электронной эми­ ссии за рабочей зоной сварки и термообработки;

■управление:

статическим и периодическим отклонением электрон­ ного пучка с однократным и двухкратным преломлением; электронным поворотом осей отклонения отклоняющей системы электронной пушки; асинхронными двигателями пятикоординатного мани­ пулятора.

Система управления состоит из шести микропроцессорных м о­ дулей, каждый из которых может работать и автономно совместно с переносным пультом управления:

модуль 6 управления верхнего уровня и управления электронно-лучевой термообработкой; модуль 1контроля и программирования параметров сварочного электронного пучка;

модуль 2 управления и диагностики высоковольтного источника питания электронной пушки; модуль 3 автовакуумирования;

модуль 4 управления перемещением манипулятора; модуль 5 наблюдения и слежения.

Технические функции модулей приведены в табл. 20. Модуль 1 имеет в составе отдельный субмодуль 16 для управления откло­ няющими системами и динамической фокусирующей линзой и две оптоволоконные линии связи для выходных сигналов. Модуль 2состоит из двух субмодулей: 2а (низковольтный) и 26 (высоковольтный), — которые имеют специальное коммуницирование между собой через две оптоволоконные линии связи. При автономном исполнении в со­ став модуля 2 входит принтер. Модуль 4 имеет в составе пульт ручного управления перемещением манипулятора. Собственно ж е модуль состоит из субмодуля 4а программного управления и устройства 46 питания электродвигателей. В составе модуля 5имеется TV-монитор, соединяемый с модулем проводным радиоканалом.

Коммуникация внутри системы осуществляется через интерфейс. Один цикл обновления процессорного отображения длится 30 мс. Помимо данной коммуникации, используют и дополнительные ком ­ муникации, когда необходима более высокая скорость обмена информацией. Например, информацию о пройденном пути подго-

92	Оборудование

Таблица 20. Основные функции микропроцессорных модулей управления

Но ­

мер

мо ­ дуля

1

2

3

А в то м а ти ­	П рограм м ное	К о н тр о л ь				Ручное
ч е с к о е	уп р авл ен ие					уп р ав л ен и е,
у п р а в л е н и е	(в ф ункции					сервисны е
	пути или					ф ункции
	врем ен и )
Ф о к у с и р о в к а	П р и хв атка .	Э л ектр онн ое				Плавная
э л е к т р о н н о г о	С в ар ка .	совм ещ ение	осей			к о р р е кти р о в ка
п у ч к а .	Р а з в е р т к а	о ткл он ени я	двух			программных
О т с т р о й к а	п учка .	отклоняю щ их		си стем .		значен и й
р а з в е р т ки	М одуляция то к а	Электронны й		поворот		п ар ам етр о в (в
п у ч к а от	п у ч к а	осей отклон ени я.				рен о м е «м я гко й »
п уль сац и и		И зм ер ени е	углов на			программы)
с е ти		п о в ерхн ости		изделия в
		вакуум е . О пределение
		расстоя ния	до		изделия
		в вакуум е .
		О п ределен ие		диам етра
		э л е ктр о н н о го			п учка.
		О п ределен ие
		р асстоя ния до д атчи ка
		ге о м етр и и	п у чка в
		в акуум е
В кл ю чен и е —		И зм ер ени е	парам етров			Поблочное
вы клю чение		п уш ки . И зм ер ени е				вклю чение
э н е р го б л о к а .		о ткл о н ен и я	от			-в ы кл им ение
О п ти м и зац и я		зад ан н о й программы				эн ер го б л о ка .
н а гр е в а		св а р ки				Н агрев ка то д а
ка т о д а		и запи сь в пам ять .
		Р еги с тр а ц и я
		п рив ед ен но го			врем ени
		работы к а то д а			и
		п о д о гр е в ател я .
		И зм ер ени е
		м одуляционной
		х а р а кте р и с ти ки п у и ки .
		И зм ер ени е	эмиссионной
		сп осо б н о сти		ка то д а .
		С о сто я н и е	като д н о го
		узл а .
		С остояни е	в /в
		и с то чн и ка	питан ия.
		С п е ктр п ульсаций
О т к а ч к а .		Д а в л е н и е в		ступ енях		К о рр екц и я
Р а з в а к у у м и -		о т к а ч к и .				с о с та в а
р о в а н и е .		С о сто я н и е	узлов			вакуум н ой
А варийны й		в аку у м н о й	системы			системы
о с т а н о в

для электронно-лучевой сварки

93

Продолжение табл. 20

Номер

МО-

дуля

4

5

6

Автоматическое управление

Возврат в исходный нуль. Возврат в начало программы. Коррекция траектории перемещения в режиме слежения за стыком. Поддержание постоянства контурной скорости перемещения. Разгон -торм ожение

электродвигателя

Поиск стыка. Наведение на стык.

Слежение за стыком. Запись и многократное воспроизведение траектории стыка. Фокусировка маломощного электронного пучка —

Программное

управление (в функции пути или

времени)

Скорость

перемещения.

Траектория

перемещения

_

Термообработка. Ввод программ в модули нижнего уровня. Последовательность технологических операций

Контроль	Ручное
	управление,
	сервисные
	функции
Координаты . Д лина	Направление
пути.	перемещ ения.
Скорость	С корость
перемещ ения	перемещ ения

Наблюдение	за	_
рабочей зоной до и
после сварки	или
терм ообработки,		при
сварке или

терм ообработке). Параметры взаиморасположения зоны наблюдения или слежения и траектории

перемещ ения
Регистрация	П од готов ка и
исполнения	запись
технологического	програм м ного
процесса	обеспечения.
	Ввод и хранение
	кодов
	обслуживаю щ его
	персонала

тавливает модуль 4 и передает ее модулям 2а, 1, 5 по отдельной линии коммуникации. Максимальная скорость сварки может дос­ тигать 30 мм/с, а требуемая точность составляет 0,1 мм. Циклом в 30 мс по интерфейсу нельзя удовлетворить данному условию, по­ этому и вводят отдельную линию. В случае, когда модуль 4 отсут­ ствует, процесс программируется в функции времени. Тогда ин­ формация о времени передается по интерфейсу.

Независимым каналом передается информация о действитель­ ной силе тока фокусировки с модуля 1 к модулю 2а. Сигнал в м о­ дуле 1 преобразуется (преобразователь напряжение — частота) и через коаксиальный кабель передается в модуль 2а.

94	Оборудование

По оптоволоконным линиям передается информация о действи­ тельной силе тока электронного пучка от модуля 7 к модулю 26. Оп­ товолоконные линии также осуществляют коммуникацию между мо­ дулями 2а и 26.

В течение технологического процесса, когда выполняется цикл слежения, независимые линии осуществляют коммуникацию меж­ ду модулями 7 и 5. Модуль 5 генерирует сигнал длительности ска­ нирования и передает его модулю 7 (для определения силы дуль 5 передает модулю 7 информацию о силе тока отклоняющих катушек и динамической фокусировки.

Информация об отклонении от траектории (от модуля 5 к моду­ лю 1) и об отклонении от определенного угла поворота осей (от модуля 5 к модулю 1) передается через интерфейс.

Такая система управления эффективна для сложных крупнога­ баритных сварочных установок. Для более простых или специализи­ рованных установок систему управления можно использовать в не­ полном виде (из пяти или четырех модулей с модулем 6 в том числе). Если нужно два или три модуля (модуль 7 в том числе; модуль 6 отсут­ ствует), то функции модуля верхнего уровня выполняет модуль 7.

Слежение за стыком и наблюдение за процессом сварки

Малая ширина сварного шва и большое отношение глубины к ширине шва требуют высокоточного совмещения электронного пучка с плоскостью стыка. Точность позиционирования мощного электронного пучка на стык должна быть не хуже ±0,1 мм, а для микросварки — <±0,05 мм.

Наиболее эффективно для позиционирования электронного пуч­ ка и наблюдения за процессом сварки использовать вторичную эмиссию из зоны воздействия пучка. Такой принцип применяют в растровой электронной микроскопии. В 1962 г. он был впервые предложен для автоматического направления сварочного элек­ тронного пучка на стык [2].

Растровые телевизионные устройства позволяют позициониро­ вать электронный пучок и осматривать поверхность шва и приле­ жащ ую зону на экране телевизионной установки или персональ­ ного компьютера.

Для наблюдения за зоной стыка или шва до и после сварки созда­ ны приборы «Прицел-3» (разработчик — ИЭС им. Е. О. Патана).

Растровое телевизионное наблюдение возможно и непосред­ ственно в процессе сварки, если осуществлять импульсную моду­ ляцию тока электронного пучка (система наблюдения «Растр-3»). Достаточно высокое качество изображения зоны сварки позволяет

для электронно-лучевой сварки

95

лированных керамическими втулками. Само основание 7 посред­ ством винтов, проходящих через фланец лучепровода 5, крепят к корпусу электронной пушки. К основанию 7также крепят коллектор 11, изоляторы которого защищены экраном 10. Кольцевой зазор меж­ ду боковой стенкой корпуса электронной пушки и экраном 10закрыт крышкой 9, которая на боковой стенке имеет вырез, для прохода го­ ризонтальной штанги. Остальные пять отверстий в боковой поверх­ ности корпуса электронной пушки перекрывает боковая стенка. Крыш­ ку 9 фиксируют пружинящими ламелями, образованными за счет вертикальных прорезей в боковой ее стенке. Все металлические де­ тали выполнены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Электрическая связь с коллектором 1«Изображение» осуществляется через штанги 2, соединение 3 и кольцо 8. Видеосигнал снимают с нагрузочного ре­ зистора, включенного между кольцом 8 и корпусом электронной пуш­ ки. Резистор расположен в полости между основанием 7 и корпусом пушки 4. Пространственное положение коллектора «Изображение» можно изменять благодаря шарнирному креплению коллектора и подвижному соединению штанг, а также за счет выбора отверстия фиксации горизонтальной штанги. В результате, выбирают нужную степень контрастности рельефа наблюдаемой поверхности.

Требования к видеотракту. Качество изображения в растровых телевизионных устройствах определяют три основных параметра видеотракта (датчик-предусилитель-линия передачи): полоса про­ пускания, коэффициент передачи, отношение сигнал/шум [70].

Верхняя часть полосы пропускания определяют по формуле

f< r4 fJ2-

(128>

где к — формат кадра (4:3), zc— число строк в кадре; fH— частота кадровой развертки.

Минимальное количество строк в кадре для номинального ли­ нейного разрешения рассчитывают по соотношению

<129>

где / — продольный размер зоны наблюдения.

Н ижнюю частоту f обычно принимают равной частоте кадров. Оценим границы полосы пропускания для реальных условий

сварки.

Размеры зоны наблюдения при угле отклонения электронного пучка ±8° и расстоянии от центра отклоняющей системы до наблю­ даемой поверхности 200 мм равны 67,2x50,4 мм (с учетом форма­ та кадра). Тогда zcmjn=252 (при /^= 0 ,1 мм). Выбираем zc=300. Час-

для электронно-лучевой сварки

97

ю ту кадров принимаем равной 50 Гц. В соответствие с выражени­ ем (128) получаем /^=3-106 Гц. Нижняя частота f = f =50 Гц.

Чтобы вычислить необходимый коэффициент передачи видео­ тракта, нужно определить амплитуду сигнала на его входе. Источ­ ником сигнала является напряжение, создаваемое током коллек­ тора на резисторе нагрузки. Сила тока коллектора

где T] — коэффициент вторичных электронов; I отн— поток вторич­ ных электронов в телесном угле, перекрываемом коллектором, выраженный в относительных единицах.

Значение 1Л=1...3 мА взято минимально необходимым, чтобы электронный пучок не оказывал заметного термического воздей­ ствия на наблюдаемое изделие. Коэффициент вторичных электро­ нов выбран равным 0,25. Поскольку все направления вылета вто­ ричных электронов заключены в полусфере, то относительное ко ­ личество вторичных электронов можно представить интегралом от функции распределения по поверхности полусферы, т. е.

2л2

I 2 = A J J*cos0 г2 sinGdtpdG, (130)

о о

где А — коэффициент пропорциональности; cosO — функция про­ странственного распределения; r 2sind dcp d в — элемент сфери­ ческой поверхности.

Для вычисления части электронов, попадающих на коллектор, определим значение коэффициента А. Для этого предположим 12=1

иполучим А = тг1г "2. Будем также считать, что поверхность кол­ лектора представляет собой часть сферической поверхности, ог­ раниченную координатными поверхностями (p2=const, G ^const, 02=const, хотя реально в качестве коллектора используют прямоу­ гольную пластину. Такая замена упрощает расчет и вполне допус­ тима при равенстве телесных углов, перекрываемых сферическим

ипрямоугольным коллекторами. Пределы интегрирования выбе­ рем исходя из размеров используемого коллектора (60x90 мм), расстояния между центром коллектора и центром поля наблюде­ ния (обычно 10-50 мм), а также угла, определяющего направле­ ние на коллектор (обычно 45±15°). Тогда, учитывая, что угол зре­ ния узкой стороны коллектора составляет примерно 20°, положим

Оборудование

0 ^ 3 5 ° , а 02=55°. Пределы интегрирования по углу ф определим из условия равенства телесных углов сферического и реального кол­ лекторов. Предположив ф 1= 0 , после расчета получим ф 2= 4 2 ° . Под­ ставив пределы интегрирования в выражение (130), определим зна­ чение I =0,04, а после подстановки I г»=0,25,1 =2x10-3 А в выражение (129) получим 1к=20-10"6 А. Ток коллектора протекает по ре­ зистору (нагрузке), сопротивление которого с емкостью коллектора образует RC — фильтр нижних частот с полосой пропускания

	д / =	1	. Поэтому сопротивление нагрузки
		2 nRC
	'
	R <	1	(131)
	2 TiAfC

Подставив в выражение (131) значения Af=3-106Гц и С=100-10-12Ф (реально емкость коллектора достигает нескольких десятков пикофа­ рад), получим максимальное сопротивление нагрузки, равное 530 Ом, при условии расположения предварительного усилителя непосредственно в электронной пушке. Если же вход видеоусили­ теля связан с нагрузкой коллектора линией передачи сигнала, то сопротивление нагрузки должно быть равно волновому сопротив­ лению линии (обычно 50 или 75 Ом).

Дальше рассмотрим два случая работы источника сигнала: не­ посредственно на предварительный усилитель и на линию пере­ дачи сигнала. В первом случае сопротивление нагрузки считаем равным 500 Ом, во втором — 50 Ом.

Напряжение на нагрузке, учитывая, что коллектор по отношению к нагрузке является источником тока ( R j » R H), определим следующим образом: Uh1 =IKRh1=20-10^-500=10-10-3 В; ^ = 1 ^ = 2 0 1 0“6-50=1 -10-3 В. При переходе к видеосигналу необходимо учесть тот факт, что не все вторичные электроны несут информацию о рельефе поверх­ ности. При наблюдении поверхности (рельефа) сварного шва ока­ зывается, что отношение переменной составляющей напряжения к постоянной составляющей напряжения на RHравно или больше 0,2. Обозначив это отношение через К, напряжение видеосигнала

запишем в следующем виде:
UC=UHK.	(132)

Тогда значения сигналов Uc1 и Uc2 будут равны соответственно 2-10-3 и 0,2-10-3 В. Зная амплитуды видеосигнала на входе видео­ тракта и номинального сигнала на модулирующем электроде

для электронно-лучевой сварки

99

кинескопа (10-20 В), нетрудно определить коэффициент передачи видеотракта. В первом случае он должен быть (2,5-5,0)-103, а во

втором — (50-100)-103.

Для оценки ожидаемого качества изображения выполним рас­ чет отношения сигнал/шум на входе видеотракта. Основными ис­ точниками шумов являются шумы коллектора и тепловые шумы резистора нагрузки:

( 1 3 3 >

Эффективное значение компоненты шумового тока в полосе частот в токе вторичных электронов имеет вид

(134)

где (0 ш=2 е1пт12+2 е12 — спектральная плотность флуктуаций вторичной эмиссии; 12=1ПТ1 — поток вторичных электронов; Д /— полоса частот.

Компонента 1Шсвязана с шумовой компонентой тока коллекто­ ра следующим образом:

и ш= 7 и 2ш.к+ и 2ш, • аза)

После подстановки в выражения (134) и (135) значений входящих в них величин (е=1,6-10"19 К; 1п=2-10-3 A; ri=0,25; Д/=ЗЮ 6 Гц, 1к отн=0,004), получим 1ш =0,005-К Г 6 А. Шумовая компонента тока коллектора со­ здает на нагрузке шумовое напряжение 1)щ к=2,5-10-6 В при сопротив­ лении нагрузки 500 Ом и Um к=0,25-10-6 В при сопротивлении 50 Ом.

Тепловые шумы нагрузки находят по формуле Найквиста:
и щж, = 2 -7 *7 * Д / •	(136)

где к=1,37-10-23 Вт с/град; R — сопротивление нагрузки, О м; A f— полоса частот, Гц; Т — абсолютная температура, К.

Уровень тепловых шумов при нагрузке 500 Ом и температуре 60 °С в полосе частот 3-10б Гц составляет 5,23-10-6 В, а при нагруз­ ке 50 Ом и тех ж е условиях — 1,65-10-6 В. Общее ш умовое напря­ жение, рассчитанное по формуле (133), равно 5,8-10-6 В при на­ грузке 500 Ом и 1,67-10-6 В при 50 Ом. Полученные значения напря­ жения шумов, отнесенные к соответствующим значениям сигна­ ла, дают следующие отношения сигнал/шум на входе видеотракта: 344 при нагрузке 500 Ом и 120 при нагрузке 50 Ом.

100	Оборудование