Система управления разверткой пучка при электронно-лучевой сварке

Описана микропроцессорная система управления разверткой электронного пучка при электронно-лучевой сварке и компьютерная программа графического проектирования разверток. Система позволяет реализовать развертки с произвольным результируемым распределением плотности мощности электронного пучка в зоне с...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2009
Автори:	Ланкин, Ю.Н., Бондарев, А.А., Довгодько, Е.И., Дьяченко, В.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2009
Назва видання:	Автоматическая сварка
Теми:	Научно-технический раздел
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100924
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Система управления разверткой пучка при электронно-лучевой сварке / Ю.Н. Ланкин, А.А. Бондарев, Е.И. Довгодько, В.А. Дьяченко // Автоматическая сварка. — 2009. — № 9 (677). — С. 16-20. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-100924
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1009242016-05-29T03:03:16Z Система управления разверткой пучка при электронно-лучевой сварке Ланкин, Ю.Н. Бондарев, А.А. Довгодько, Е.И. Дьяченко, В.А. Научно-технический раздел Описана микропроцессорная система управления разверткой электронного пучка при электронно-лучевой сварке и компьютерная программа графического проектирования разверток. Система позволяет реализовать развертки с произвольным результируемым распределением плотности мощности электронного пучка в зоне сварки. Во время проектирования развертки задается траектория, мгновенная мощность электронного пучка в каждой точке и отображается результирующее распределение плотности мощности пучка. Программа изменения токов отклоняющих катушек вычисляется автоматически. The microprocessor-based control system for scanning of the electron beam in electron beam welding and software for graphical design of scans are described. The system makes it possible to implement the scans with an arbitrary resultant distribution of the electron beam power density in the welding zone. Design of a scan comprises setting a path and instantaneous power of the electron beam at each point, and imaging the resultant distribution of the beam power density. The program of changes in deflection coil currents is automatically calculated. 2009 Article Система управления разверткой пучка при электронно-лучевой сварке / Ю.Н. Ланкин, А.А. Бондарев, Е.И. Довгодько, В.А. Дьяченко // Автоматическая сварка. — 2009. — № 9 (677). — С. 16-20. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100924 621.791.72.03 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Ланкин, Ю.Н. Бондарев, А.А. Довгодько, Е.И. Дьяченко, В.А. Система управления разверткой пучка при электронно-лучевой сварке Автоматическая сварка
description	Описана микропроцессорная система управления разверткой электронного пучка при электронно-лучевой сварке и компьютерная программа графического проектирования разверток. Система позволяет реализовать развертки с произвольным результируемым распределением плотности мощности электронного пучка в зоне сварки. Во время проектирования развертки задается траектория, мгновенная мощность электронного пучка в каждой точке и отображается результирующее распределение плотности мощности пучка. Программа изменения токов отклоняющих катушек вычисляется автоматически.
format	Article
author	Ланкин, Ю.Н. Бондарев, А.А. Довгодько, Е.И. Дьяченко, В.А.
author_facet	Ланкин, Ю.Н. Бондарев, А.А. Довгодько, Е.И. Дьяченко, В.А.
author_sort	Ланкин, Ю.Н.
title	Система управления разверткой пучка при электронно-лучевой сварке
title_short	Система управления разверткой пучка при электронно-лучевой сварке
title_full	Система управления разверткой пучка при электронно-лучевой сварке
title_fullStr	Система управления разверткой пучка при электронно-лучевой сварке
title_full_unstemmed	Система управления разверткой пучка при электронно-лучевой сварке
title_sort	система управления разверткой пучка при электронно-лучевой сварке
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2009
topic_facet	Научно-технический раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100924
citation_txt	Система управления разверткой пучка при электронно-лучевой сварке / Ю.Н. Ланкин, А.А. Бондарев, Е.И. Довгодько, В.А. Дьяченко // Автоматическая сварка. — 2009. — № 9 (677). — С. 16-20. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT lankinûn sistemaupravleniârazvertkojpučkapriélektronnolučevojsvarke AT bondarevaa sistemaupravleniârazvertkojpučkapriélektronnolučevojsvarke AT dovgodʹkoei sistemaupravleniârazvertkojpučkapriélektronnolučevojsvarke AT dʹâčenkova sistemaupravleniârazvertkojpučkapriélektronnolučevojsvarke
first_indexed	2025-07-07T09:33:14Z
last_indexed	2025-07-07T09:33:14Z
_version_	1836980156561883136
fulltext	УДК 621.791.72.03 СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РАЗВЕРТКОЙ ПУЧКА ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ Ю. Н. ЛАНКИН, А. А. БОНДАРЕВ, доктора техн. наук (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины), Е. И. ДОВГОДЬКО, В. А. ДЬЯЧЕНКО, инженеры (НП «СОЛО», г. Киев) Описана микропроцессорная система управления разверткой электронного пучка при электронно-лучевой сварке и компьютерная программа графического проектирования разверток. Система позволяет реализовать развертки с произвольным результируемым распределением плотности мощности электронного пучка в зоне сварки. Во время проектирования развертки задается траектория, мгновенная мощность электронного пучка в каждой точке и отоб- ражается результирующее распределение плотности мощности пучка. Программа изменения токов отклоняющих катушек вычисляется автоматически. К л ю ч е в ы е с л о в а : электронно-лучевая сварка, разверт- ка электронного пучка, микропроцессорный контроллер, графическое компьютерное проектирование развертки Свойства электронного пучка (малая инерцион- ность и широкий диапазон регулирования мощ- ности) позволяют получать источники сварочного нагрева с произвольным поверхностным распре- делением плотности мощности в области сварки. Электронный пучок может обеспечить почти не- ограниченное разнообразие режимов сварки, тер- мической и размерной обработки, зондирования сварочного стыка. При этом зондирование, сварка и термообработка могут проводиться одним и тем же пучком одновременно. Однако реализовать эти преимущества электронного луча в полной мере можно только средствами электронной автомати- ки. Разработано сравнительно много аналого-дис- кретных электронных устройств периодического электромагнитного отклонения электронных пуч- ков для сварки [1, 2] и термообработки [3, 4]. Их недостатками являются низкая точность, слож- ность настройки, ограниченные функциональные возможности. Зачастую электронно-лучевые ус- тановки комплектуются простейшими приборны- ми синусно-косинусными генераторами. Технически более совершенны цифровые сис- темы периодического отклонения электронного пучка. Формирование периодических напряжений специальной формы в таких системах можно вы- полнять программно или аппаратно. Каждая управ- ляющая ЭВМ, которыми, как правило, комплекту- ются современные установки для электронно-лу- чевой сварки (ЭЛС), позволяет запрограммировать практически любой закон изменения во времени сигнала отклонения электронного пучка. Однако частота такого сигнала ограничена десятками герц и при этом ЭВМ целиком загружена выполнением только этих функций. Гораздо проще эти задачи решаются аппарат- ными средствами. Необходимая программа одно- го периода отклонения электронного пучка запи- сывается в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Управляемый по частоте генератор кодов последовательно адресует ячейки ПЗУ и записан- ный в них код тока электромагнитного отклоне- ния электронного пучка преобразуется цифро-ана- логовым преобразователем (ЦАП) в пропорцио- нальное аналоговое напряжение [5, 6]. Основным недостатком этих генераторов является неудобс- тво программирования ПЗУ. Для перепрограмми- рования ПЗУ необходимо извлечь микросхему ПЗУ из панельки, поместить в программатор и записать в нее новую программу, предварительно подготовленную на компьютере. Это занимает много времени и на практике очень неудобно. Всех этих недостатков лишены современные микроконтроллерные системы программного уп- равления отклонением электронного пучка со спе- циализированным программным обеспечением компьютерного проектирования разверток. Структурная схема микроконтроллерного ге- нератора разверток приведена на рис. 1. Управ- ляющая часть системы выполнена на микрокон- троллере C8051F022 фирмы «Cygnal». Связь с компьютером осуществляется по стандартному последовательному интерфейсу RS-232. По этому интерфейсу в микроконтроллер из компьютера загружаются до 32 программ, после чего он может работать автономно. При постоянной связи с компьютером количество программ практически не ограничено. Запись программы в контроллер занимает единицы миллисекунд и может осущес- твляться даже во время сварки. С помощью ЦАП, входящих в состав микро- контроллера, цифровой код развертки преобразу- ется в аналоговые напряжения, которые посту- пают на мощный преобразователь напряжение — © Ю. Н. Ланкин, А. А. Бондарев, Е. И. Довгодько, В. А. Дьяченко, 2009 16 9/2009 ток 3 (рис. 1). Контроллер имеет собственные ор- ганы управления для корректировки амплитуды развертки раздельно по координатам X и Y, по обеим координатам одновременно XY, частоты развертки F, выбора любой из записанных в па- мять контроллера разверток P. Вся текущая слу- жебная информация, а именно, номер развертки, относительная амплитуда развертки по каждой ко- ординате и частота развертки отображаются на мно- гострочном жидкокристаллическом дисплее. Об- щий вид контроллера приведен на рис. 2. Программа «Проектирование развертки» пред- ставляет собой средство для быстрого графичес- кого проектирования траектории перемещения электронного пучка по поверхности нагрева вследствие периодического электромагнитного отклонения при ЭЛС и термообработки электрон- ным лучом. Для периодического отклонения элек- тронного пучка обычно задается закон изменения во времени тока в отклоняющих катушках сис- темы электромагнитного отклонения электронно- лучевой пушки. Связать траекторию электронного пучка с током отклоняющей катушки не предс- тавляет особого труда только в простейших случаях круговой и линейной разверток. Данная система позволяет проектировать не только траекторию пе- ремещения электронного пучка, но и интенсивность нагрева в любом месте траектории. Кроме того, во время проектирования имеется возможность прос- мотра результирующего распределения плотности мощности электронного пучка в области нагрева с учетом конечных значений радиуса электронного пучка. Экран компьютерного проектирования раз- вертки приведен на рис. 3. Траектория электронного пучка отображается в прямоугольном окне «Траектория электронного луча» (рис. 3) с относительными размерами +/-128 по координатам X и Y. Во время одного цикла периодической развертки электронный пучок за- нимает последовательно 16 положений в области его воздействия. Положение остановки пучка в каждой из 16 точек траектории отображается в виде окружности небольшого диаметра. Переме- щение пучка из одной точки в другую отобра- жается соединительными прямыми линиями. По- ложение каждой точки пучка в цикле развертки задается перетаскиванием мышкой ее изображе- ния в любое место окна «Траектория электрон- ного луча». Цифровое значение координат каждой точки отображается в соответствующей ячейке таблицы, представленной на рис. 3. Таким об- разом, траектория электронного пучка в общем случае может быть любой. Интенсивность теплового воздействия элект- ронного пучка в каждой точке определяется от- носительным временем пребывания в ней, т. е. на какую часть периода развертки пучок оста- навливается в данной точке. Изменение относи- тельной длительности пребывания электронного пучка в точке эквивалентно относительному из- менению тока луча в данной точке при одина- ковом времени его пребывания в каждой точке. Естественно, для этого частота развертки элект- ронного пучка должна быть достаточно высока. Время пребывания пучка в каждой точке задается с некоторой дискретой Δt. Общее количество вре- менных интервалов N в течение одного периода T развертки устанавливается программой от 16 до 256. Период развертки может варьироваться от 16Δt до 256Δt. Минимальное значение Δt определяется только схемотехникой и элементной базой приме- Рис. 1. Структурная схема контроллера развертки электронного пучка для сварки: 1 — компьютер; 2 — контроллер; 3 — усилитель мощности; 4 — электронно-лучевая пушка; 5 — катушка отклонения электронного пучка по оси Х; 6 — катушка отклонения электронного пучка по оси Y; 7 — электронный пучок; 8 — свариваемое изделие Рис. 2. Внешний вид контроллера развертки электронного пучка для сварки 9/2009 17 няемого контроллера развертки. Например, для описываемого контроллера, выполненного на мик- роконтроллере C8051F022 фирмы «Signal», мини- мальное значение Δt составляет 40 мкс и может быть увеличено с дискретой 40 мкс до 4 мс. Помимо минимального значения Δt, опреде- ляемого контроллером, реальная максимальная частота развертки зависит от индуктивности от- клоняющих катушек, напряжения питания усили- теля тока отклоняющих катушек и установленной амплитуды развертки. Чем меньше индуктивность катушек отклонения, выше напряжение питания и меньше амплитуда развертки, тем больше мак- симально возможная частота развертки. Относительная плотность тока пучка регули- руется изменением амплитуды соответствующего столбца столбчатого графика перетаскиванием вершины столбца мышью. Относительная плот- ность тока (количество временных интервалов) в остальных позициях электронного пучка автома- тически пересчитывается, чтобы период развер- тки остался неизменным. Количество временных интервалов в каждой позиции электронного пучка (относительная плотность тока) отображается столбиком столбчатого графика и в соответству- ющей ячейке J таблицы на рис. 3. Благодаря тепловой инерционности поверх- ности нагрева тепловое воздействие периодически отклоняемого электронного пучка эквивалентно воздействию суммы 16 неподвижных электрон- ных пучков, распределенных по поверхности наг- рева. Сумма токов эквивалентных неподвижных лучей равна току периодически отклоняемого электронного луча, а ток каждого луча пропор- ционален относительному времени пребывания луча в соответствующей точке останова. Таким образом, по тепловому действию периодически отклоненный электронный луч можно предста- вить неподвижным электронным лучом со слож- ным поперечным распределением плотности тока. Анализ графиков распределения плотности тока такого луча дает гораздо больше для прогнозиро- вания теплового воздействия электронного луча, чем анализ кривых токов отклоняющих катушек, что обычно имеет место на практике. Результиру- ющее эквивалентное распределение плотности тока, отображаемое на трехмерном графике в окне «Ре- зультирующее распределение тока луча», подсчи- тывается следующим образом. Плотность мощности электронного пучка j(x, y) в первом приближении можно считать нормаль- но-круговым: j(x, y) = Jm exp ⎛ ⎜ ⎝ – x 2 + y2 rл 2 ⎞ ⎟ ⎠ , (1) где Jm — амплитуда плотности тока; rл — дис- персия плотности тока; x, y — расстояние от цен- тра луча до данной точки. Рис. 3. Экран компьютерного проектирования развертки 18 9/2009 Результирующая плотность тока от действия 16 одновременно действующих электронных лу- чей с амплитудами Jmj в точках x, y будет j– (x, y) = ∑ i = 1 16 Jmi exp ⎛ ⎜ ⎝ ⎜ ⎜ – (x – xi) 2 + (y – yi) 2 rл 2 ⎞ ⎟ ⎠ ⎟ ⎟ , (2) где Jmi — амплитуда плотности тока в i-й точке останова пучка, Jmi = Ji/N; Ji — количество ин- тервалов времени Δt пребывания пучка в i-й точке останова луча; N — общее количество временных интервалов в периоде развертки; xi, yi — коор- динаты i-й точки останова луча. Реальная результирующая плотность тока раз- вернутого пучка зависит от радиуса пучка в плос- кости сварки. Для получения более реалистичес- кого изображения результирующего распределе- ния плотности тока пучка в зоне его воздействия, подсчитываемого по уравнению (2), в окне «Beam Radius» из меню «Опции» задается относительное значение радиуса электронного луча rл. Для удобства анализа результирующего рас- пределения его изображение можно поворачивать, изменяя угол места и азимут. Запись в файл спроектированной развертки осуществляется командой Safe из меню «Файл». Запись спроектированной развертки в контроллер осуществляется командой Sent to Controller из ме- ню «Файл». Запись в файл и ППЗУ контроллера отклоне- ния луча спроектированной развертки осущест- вляется командой «Запись». Функциональная схема микропроцессорного контроллера приведена на рис. 4. Аналоговые нап- ряжения развертки с выходов ЦАП DAC0, DAC1 микроконтроллера DD1 поступают на входы сог- ласующих инструментальных усилителей DA1 и DA2. Изолирующие усилители DA3 и DA4 осу- ществляют гальваническую развязку управляю- щей и силовой части контроллера. Мощные опе- рационные усилители DA5 и DA6, включенные по схеме с глубокой отрицательной обратной связью по выходному току, осуществляют пре- образование напряжений разверток в ток откло- няющих катушек. Кнопками SB1–SB5 осущест- вляется выбор изменяемого параметра. Импуль- сный датчик вращения с индикацией направления SA1 используется для изменения значения выб- ранного параметра. Амплитуду и частоту развер- тки можно регулировать от 100 % до 0 через 1 %. Микросхема DD2 осуществляет преобразова- ние уровней напряжений последовательного ин- терфейса RS232 связи контроллера с компью- тером. Рис. 4. Функциональная схема контроллера развертки электронного пучка для сварки 9/2009 19 Выводы 1. Микропроцессорный генератор разверток элек- тронного пучка в автономном режиме работы поз- воляет воспроизводить до 32 записанных в память разверток любой сложности. 2. При связи с компьютером по последователь- ному интерфейсу количество воспроизводимых разверток практически не ограничено. Замену вос- производимой развертки на любую другую из компьютера можно осуществлять в процессе свар- ки, не прерывая процесс. 3. При проектировании развертки задается же- лаемое распределение плотности тока пучка в об- ласти нагрева и траектория перемещения этого пучка. По ним автоматически вычисляются прог- раммы изменения токов в отклоняющих катуш- ках. 4. Выбор траектории перемещения электрон- ного пучка позволяет влиять не только на резуль- тирующее распределение плотности мощности луча, но и на гидродинамические процессы в сва- рочной ванне, особенно при низкой частоте ска- нирования. 1. Информационное письмо / АН УССР. Ин-т электросвар- ки им. Е. О. Патона. — Киев, 1984. — № 13: Прибор СУ- 177 для управления лучом сварочных пушек / Ю. Г. Куцан, В. В. Гумовский, С. Я. Макарихин и др. — [3] c. 2. Информационное письмо / АН УССР. Ин-т электросвар- ки им. Е. О. Патона. — Киев, 1987. — № 39: Куцан Ю. Г., Гумовский В. В. Прибор СУ-229 для управления лучом. — [4] c. 3. Чубаров В. П. Контроль и регулирование подвижным воздействием. — М.: Энергия, 1976. — 196 с. 4. Электронно-лучевой отжиг сварных соединений / Г. А. Ильченко, Ю. В. Полоскин, В. И. Андреев, А. А. Бонда- ков // Материалы VII Всесоюз. конф. по электронно-лу- чевой сварке. — М., 1983. — С. 54–58. 5. Электронно-лучевая сварка / О. К. Назаренко, А. А. Кай- далов, С. Н. Ковбасенко и др. / Под ред. Б. Е. Патона. — Киев: Наук. думка, 1987. — 256 с. 6. Ланкин Ю. Н., Байштрук Е. Н. Генераторы разверток электронного пучка для сварки и термообработки // Ав- томатическое управление процессами сварки и нанесе- ния покрытий: Сб. науч. тр. — Киев: ИЭС им. Е. О. Па- тона, 1988. — С. 106–110. The microprocessor-based control system for scanning of the electron beam in electron beam welding, and software for graphic representation of the scans are described. The system makes it possible to realise the scans with an arbitrary resultant distribution of power density of the electron beam in the welding zone. Development of a scan comprises setting of a path and instantaneous power of the electron beam at each point, and representation of resultant distribution of the beam power density. The program of variations in deflecting coil currents is calculated automatically. Поступила в редакцию 04.03.2009 ПРЕССОВАЯ СВАРКА С НАГРЕВОМ ДУГОЙ, УПРАВЛЯЕМОЙ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ Разработаны современные высокопроизводительные технологии и оборудование прессовой сварки с нагревом дугой, управляемой магнитным полем. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ: производство деталей автомобильной промышленности (амортизаторы, карданные валы, пневматические пружины, руле- вые тяги); сварка труб диаметром 20...219 мм с толщиной стенки 1.5...12 мм; сварка деталей различного назначения, в том числе со сплошным поперечным сечением. ПРЕИМУЩЕСТВА: процесс сварки происходит в автоматизированном режиме; высокая эффективность процесса сварки благодаря применению системы автоматического поддержания величины дугового зазора; высокое и стабильное качество сварных соединений; высокая производительность процесса сварки; отсутствие вспомогательных сварочных материалов; контроль параметров процесса в реальном времени. 20 9/2009

Система управления разверткой пучка при электронно-лучевой сварке

Репозитарії

Схожі ресурси