Мониторинг качества контактной точечной сварки переменным током с применением вейвлет-анализа

Рассмотрена возможность создания однофакторной системы мониторинга качества сварных точек с использованием механизма вейвлет-преобразований. Показано, что близкие по прочности сварные точки имеют близкие формы детализирующих компонент вейвлет. Осуществление мониторинга технологического процесса сва...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2012
1. Verfasser:	Скачков, И.О.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2012
Schriftenreihe:	Техническая диагностика и неразрушающий контроль
Schlagworte:	Научно-технический раздел
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102553
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Мониторинг качества контактной точечной сварки переменным током с применением вейвлет-анализа / И.О. Скачков // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2012. — № 3. — С. 43-47. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-102553
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1025532016-06-13T03:02:15Z Мониторинг качества контактной точечной сварки переменным током с применением вейвлет-анализа Скачков, И.О. Научно-технический раздел Рассмотрена возможность создания однофакторной системы мониторинга качества сварных точек с использованием механизма вейвлет-преобразований. Показано, что близкие по прочности сварные точки имеют близкие формы детализирующих компонент вейвлет. Осуществление мониторинга технологического процесса сварки требует одновременного анализа всех детализирующих компонент вейвлет-разложения. A possibility of creation of a single-factor system of monitoring the quality of weld nuggets using the mechanism of wavelet-transformations is considered. It is shown that weld nuggets of similar strength have similar forms of detalizing wavelet components. Monitoring of technological process of welding requires simultaneous analysis of all the detalizing components of wavelet decomposition. 2012 Article Мониторинг качества контактной точечной сварки переменным током с применением вейвлет-анализа / И.О. Скачков // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2012. — № 3. — С. 43-47. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0235-3474 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102553 621.19.40 ru Техническая диагностика и неразрушающий контроль 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 Скачков, И.О. Мониторинг качества контактной точечной сварки переменным током с применением вейвлет-анализа Техническая диагностика и неразрушающий контроль
description	Рассмотрена возможность создания однофакторной системы мониторинга качества сварных точек с использованием механизма вейвлет-преобразований. Показано, что близкие по прочности сварные точки имеют близкие формы детализирующих компонент вейвлет. Осуществление мониторинга технологического процесса сварки требует одновременного анализа всех детализирующих компонент вейвлет-разложения.
format	Article
author	Скачков, И.О.
author_facet	Скачков, И.О.
author_sort	Скачков, И.О.
title	Мониторинг качества контактной точечной сварки переменным током с применением вейвлет-анализа
title_short	Мониторинг качества контактной точечной сварки переменным током с применением вейвлет-анализа
title_full	Мониторинг качества контактной точечной сварки переменным током с применением вейвлет-анализа
title_fullStr	Мониторинг качества контактной точечной сварки переменным током с применением вейвлет-анализа
title_full_unstemmed	Мониторинг качества контактной точечной сварки переменным током с применением вейвлет-анализа
title_sort	мониторинг качества контактной точечной сварки переменным током с применением вейвлет-анализа
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2012
topic_facet	Научно-технический раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102553
citation_txt	Мониторинг качества контактной точечной сварки переменным током с применением вейвлет-анализа / И.О. Скачков // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2012. — № 3. — С. 43-47. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series	Техническая диагностика и неразрушающий контроль
work_keys_str_mv	AT skačkovio monitoringkačestvakontaktnojtočečnojsvarkiperemennymtokomsprimeneniemvejvletanaliza
first_indexed	2025-07-07T12:29:27Z
last_indexed	2025-07-07T12:29:27Z
_version_	1836991243802902528
fulltext	УДК 621.19.40 МОНИТОРИНГ КАЧЕСТВА КОНТАКТНОЙ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ ПЕРЕМЕННЫМ ТОКОМ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЕЙВЛЕТ-АНАЛИЗА И. О. СКАЧКОВ, канд. техн. наук (НТУУ «Киевский политехнический институт») Рассмотрена возможность создания однофакторной системы мониторинга качества сварных точек с использо- ванием механизма вейвлет-преобразований. Показано, что близкие по прочности сварные точки имеют близкие формы детализирующих компонент вейвлет. Осуществление мониторинга технологического процесса сварки тре- бует одновременного анализа всех детализирующих компонент вейвлет-разложения. A possibility of creation of a single-factor system of monitoring the quality of weld nuggets using the mechanism of wa- velet-transformations is considered. It is shown that weld nuggets of similar strength have similar forms of detalizing wavelet components. Monitoring of technological process of welding requires simultaneous analysis of all the detalizing components of wavelet decomposition. Стремление предприятий к достижению конкурен- тных преимуществ и повышению экономической эффективности стало мощным стимулом для со- вершенствования бизнес-технологий [1]. Вместе с тем процессы глобализации промышленного производства способствуют дальнейшей унифи- кации и стандартизации методов управления все- ми процессами предприятия. На сегодня наличие у компании понятного как потребителям, так и партнерам системы управления предприятием яв- ляется необходимым условием обеспечения вы- сокой конкурентоспособности продукции. Такие стандартизированные подходы к управлению предприятием получили обобщенное название системы менеджмента качества (СМК). По сути, СМК представляет собой совокупность методик выявления проблем и постановки задач, которые необходимо решать на различных этапах произ- водства и методов (инструментов) их решения. Широкое распространение на сегодня как в мире, так и в Украине получили СМК, построенные в соответствии с требованиями международного стандарта ISO 9001:2008 «Quality management sys- tems. Requirement». Для процесса производства стандарт ISO 9001:2008 предъявляет определенные требования к организации деятельности предприятия. Особые требования СМК выдвигает к производственным процессам, недостатки которых могут быть навер- няка выявлены только в процессе эксплуатации продукции. Это означает, что результаты деятель- ности не могут быть должным образом проверены на соответствие требованиям измерением пара- метров технологического процесса, т. е. качество продукции подтверждается только в процессе ее эксплуатации. К таким технологическим процес- сам принято относить сварку. В соответствии с требованиями ISO 9001:2008 в этом случае предприятию необходимо предос- тавить объективные доказательства того, что тех- нологический процесс производства в сочетании с организационными мероприятиями способны обеспечить требования к эксплуатационным свойствам сварной конструкции. Такими доказа- тельствами являются статистически обоснован- ные планы выборочного контроля сварных сое- динений по адекватным относительно выбранных групп дефектов методиками. Предприятие должно иметь процедуру утверждения технологических процессов сварки, выбора и технического обслу- живания оборудования. Отдельной процедурой устанавливаются правила аттестации сварщиков. Таким образом, предприятием обеспечивается стабильность условий производства. В некоторых случаях предприятию необходимо предоставить потребителю доказательства того, что производ- ство осуществляется в стабильных условиях и на- рушений технологического процесса не было. Наиболее широко применяемым при производ- стве сварных конструкций методом подтвержде- ния качества соединений является выборочный разрушающий и неразрушающий контроль. Оче- видно, что выборочный контроль может дать только вероятностную оценку качества тех изде- лий, которые идут в эксплуатацию. Основной показатель качества сварного соеди- нения при контактной точечной сварке — проч- ность точки — может значительно снизиться, если на сварочную машину и зону сварки будут дейс- твовать возмущения. При относительно малом значении отдельных возмущений одновременное действие на объект в случае их неблагоприятного сочетания также может вызвать значительную ва- риабельность прочностных характеристик свар- ной точки [2]. Этим можно объяснить периоди- ческое появление дефектных соединений даже при строгом соблюдении технологии сварки. Как следствие, для повышения надежности и прочнос- ти конструкции количество точек на кузове ав-© И. О. Скачков, 2012 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3,2012 43 томобиля устанавливается примерно на 30% боль- ше, чем было бы необходимо при их гарантиро- ванном качестве [3]. Подтверждение соответствия хода технологи- ческого процесса заданным параметрам осущес- твляют, как правило, путем мониторинга парамет- ров режима [4, 5] или состояния оборудования. Однако такой подход позволяет контролировать только стабильность затраченной энергии (или удельной энергии) при образовании называемого соединения и имеет существенные недостатки. Во-первых, поскольку каждый из параметров ре- жима задается с определенными допусками, то возможно такое неблагоприятное сочетание пара- метров режима в пределах допусков, при котором вероятно возникновение дефекта. Во-вторых, кон- троль соответствия энергетических и кинемати- ческих параметров режима заданным значениям не позволяет определить особенности хода про- цесса образования соединения, который может быть нарушен технологическими возмущениями. Известные системы мониторинга технологическо- го процесса контактной точечной сварки, осно- ванные на оценке энергетических параметров ре- жима, требуют измерения как сварочного тока, так и напряжения, что существенно усложняет систему измерений. Постановка задачи. Целью работы является определение соответствия технологического про- цесса контактной точечной сварки переменным током низкоуглеродистых сталей заданным тре- бованиям. Такой технологический процесс в прос- тейшем случае состоит из четырех этапов: сжатие, нагрев, проковка, пауза. Параметрами режима при этом есть сварочный ток, время нагрева, усилие сжатия электродов, размеры рабочей поверхности электродов. Практически все параметры режима, кроме временных интервалов, могут меняться во время технологического процесса изготовления изделия. Течение процесса сварки нарушается как из-за нестабильности напряжения питающей сети, так и из-за изменения импеданса сварочного контура машины и изменения плотности сварочного тока, протекающего через свариваемую точку. Измене- ние импеданса обусловлено как внесением в кон- тур ферромагнитных масс в процессе сварки кон- струкции, так и нестабильностью усилия сжатия электродов, геометрических размеров рабочей по- верхности электродов из-за износа, толщины и ка- чества подготовки поверхностей свариваемых де- талей. В некоторых случаях возможно также на- рушение условий формирования сварной точки из-за шунтирования сварочного тока ранее сва- ренными точками. Мониторинг процесса по параметрам режима, поддающихся измерению, имеет ограниченные возможности прогнозирования качества сварного соединения, поскольку не позволяет выявить на- личие таких опасных возмущений, как шунтиро- вание сварочного тока раньше сварными точками и изменение геометрии электродов. Методика мониторинга технологического процесса контактной точечной сварки. Уста- новка контактной точечной сварки переменным током представляет собой нелинейный трансфор- матор с повышенным магнитным рассеянием, ко- торый нагружен на индуктивно-активное сопро- тивление и питается от сети переменного тока че- рез тиристорный контактор. Существенная индук- тивность сварочного трансформатора приводит к тому, что угол открытия тиристорных контакто- ров превышает 90 электрических градусов и фор- ма импульсов сварочного тока далека от синусо- идальной. Учитывая, что практически все возмущения (кроме изменения напряжения питающей сети) приводят к изменению сопротивления во вторич- ном контуре сварочной машины, возникает воз- можность оценить уровень возмущений по изме- нению формы импульса сварочного тока. Влияние изменения активного сопротивления на форму импульса сварочного тока осуществляли с помощью компьютерной модели, построенной в среде Simulink пакета Matlab (рис. 1). Сварочный трансформатор T моделировался как трансформатор с повышенным магнитным рассеянием с параметрами, полученными путем расчета реальной контактной машины. Первичная обмотка рассчитана на питание от сети АС 50 Гц напряжением 380 В. Модель легко позволяет учи- тывать переменный коэффициент трансформации. В модель входит также вторичный контур тран- сформатора, представленный резистором Rк = = 140 мкОм и индуктивностью Lк = 0,5 мкГн. Тиристорный контактор VS1 – VS2 управля- ется фазовращателем FC, который формирует отпирающие импульсы со сдвигом по фазе на alpha электрических градусов относительно на- пряжения сети. Сигнал напряжения сети посту- пает на FC с измерительного блока Us. Изме- рение тока осуществляется блоком I. Сварная точка моделируется активным резис- тором R. В модели принято предположение о не- изменности сопротивления точки на протяжении цикла сварки. Для оценки влияния возмущений параметры модели меняли в пределах 10 % но- минальных. Таким образом, активное сопротив- ление сварной точки составляло 115 и 126,5 мкОм [6], индуктивность контура машины в пределах 0,50 и 0,55 мкГн, напряжение сети пи- тания 380 и 342 В. Угол открытия тиристорного контактора 90 эл. градусов. При моделировании фиксировалось мгновен- ное значение тока во вторичном контуре. Оценка действующего значения тока осуществлялась бло- 44 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3,2012 ком RMS модели. Поскольку наиболее применя- емым методом измерения сварочного тока при контактной точечной сварке является пояс Рогов- ского, то дополнительно фиксировалась также первая производная от тока контура посредством стендартного блока дифференцирования Simulink du/dt. Полученные данные передавались в рабо- чую область Matlab как переменные I, dI, I_RMS. Изменение амплитудного значения напряже- ния питающей сети, индуктивности контура или активного сопротивления участка электрод–элек- трод приводит к изменению длительности и фор- мы импульса тока (рис. 2, а). Заметное изменение формы импульса сварочного тока показано также на графиках первой производной тока по времени (рис. 2, б). Расчетное действующее значение сварочного тока при этом составляло 5991 А для номиналь- ного режима, 5814 А для возмущения с сопро- тивлением электрод-электрод, 5817 А для возму- щения по индуктивности контура, 5391 А для воз- мущения по напряжению сети. Таким образом, уменьшение тока составляло от 3 до 10 %. Оценку формы импульса сварочного тока про- водили с применением дискретного вейвлет-ана- лиза, что позволяет рассматривать сигнал как фун- кцию от времени в терминах колебаний, локали- зованных по времени и частоте [7]. Анализ про- Рис. 1. Компьютерная модель процесса контактной точечной сварки Рис. 2. Форма импульса тока (а) и его первой производной (б): 1 — номинальный режим; 2 — увеличенное сопротивление электрод–электрод; 3 — увеличенная индуктивность контура; 4 — уменьшенное напряжение сети ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3,2012 45 водили с применением вейвлетов Добеши [8] с помощью пакета расширения Wavelet Toolbox системы Matlab. Выявление различий между фор- мами кривых тока при действии возмущений на технологический процесс осуществляли сравне- нием составляющих сигнала определенного уров- ня, восстановленных по детализирующим коэф- фициентам вейвлет-разложения. Для сравнения различия между компонентами сравниваемых сигналов, введем обобщенный по- казатель нормы P   xi  xni 2 , где xi — значение координат вектора компоненты вейвлет-разложения заданного уровня исследуемого сигнала; xni — соответствующее значение компо- ненты вейвлет-разложения заданного уровня сигна- ла, соответствующего номинальному режиму. Отличие детализирующих компонент по уров- ням вейвлет-преобразования существенно зависит от вида возмущений (рис. 3) и для первой про- изводной сварочного тока является значительной. Наиболее существенные различия наблюдают- ся для компонент вейвлет-преобразований, соот- ветствующих высокочастотным составляющим сигнала. Анализ также показывает, что различия локализованы в основном в зоне затухания им- пульса (рис. 4). Экспериментальная проверка методики мо- ниторинга. Проверку метода мониторинга про- водили при сварке образцов из низкоуглеродистой стали на машине МТ-1215. Ток сварки фиксиро- вали с помощью пояса Роговского. Образцы сва- ривали при одинаковых настройках машины. Ана- лого-цифровое преобразование полученного сиг- нала осуществляли АЦП Е-140 фирмы «Lcard» с частотой 100 кГц. Обработку данных проводили в среде системы Matlab. Качество сварных точек проверяли механичес- кими испытаниями на срез в соответствии с ГОСТ 6996–66. Прочность сварных точек находилась в пределах 32006390 Н. Причинами разброса зна- чений предположительно является подготовка свариваемых поверхностей. Оценку нормы проводили относительно образца, имеющего наивысшую прочность на срез. Близкие по прочности образцы имели близкие значения нор- мы для детализирующих компонент вейвлет-разло- жения с малыми номерами, т. е. соответствующими низкочастотной составляющей сигнала (рис. 5). Сле- дует отметить, что для осуществления мониторинга технологического процесса сварки необходимо осу- ществлять одновременный анализ всех детализиру- ющих компонент вейвлет-разложения. Выводы Мониторинг технологического процесса контак- тной точечной сварки можно осуществлять по фор- ме сигнала, пропорционального первой производ- ной сварочного тока. Имеющиеся в процессе сварки возмущения влияют на форму сигнала. Рис. 3. Показатель нормы для возмущений: 1 — увеличенное сопротивление электрод–электрод; 2 — увеличенная индук- тивность контура; 3 — уменьшенное напряжение сети Рис. 4. Первая производная сварочного тока (а) и детализи- рующей компоненты 7 (б) уровня вейвлет-разложения номи- нального режима (1) и для возмущений по активному сопротивлению электрод–электрод (2) Рис. 5. Показатели нормы для сварных точек: 1 — 3200 Н; 2 — 4837; 3 — 4620; 4 — 4569 46 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3,2012 Анализ формы сигнала с целью установления соответствия условий сварки и качества соедине- ния требованиям целесообразно осуществлять с помощью дискретного вейвлет-анализа с исполь- зованием вейвлетов Добеши. Дальнейшее развитие метода мониторинга тех- нологического процесса контактной точечной сварки необходимо проводить в направлении идентификации возмущений. 1. Портер М. Конкуренция. — СПб: Издательский дом «Вильямс», 2001. — 495 с. 2. Дорофеев А. Н. Расчет прочности сварных точечных сое- динений. — М.: Машиностроение, 1964. — 139 с. 3. Оценка качества контактной точечной сварки с по- мощью нейронных сетей / Б. Е. Патон, Н. В. Подола, В. С. Гавриш, В. В. Лукович // Автомат. сварка. — 1998. — № 12. — С. 3–10. 4. Cho Y., Rhee S. Primary circuit dynamic resistance monito- ring and its application to the quality estimation during resis- tance spot welding // Welding J. — 2002. — 81, № 6. — P. 104–111. 5. Monitoring of spot welding by measurement of voltage be- tween electrode tips / S. Nakata, M. Nishikawa, Y. Kurozu- mi, H. Okuno. // Transactions of Japan welding society. — 1979. — 10, № 1. 6. Пахаренко В. А. Зварювання тиском. — Киев: Екотехно- логія, 2011. — 272 с. 7. Дремин И. Е., Иванов О. В., Нечитайло В. А. Вейвлеты и их использование // Успехи физ. наук. — 2001. — 171, № 5. — С. 465–501. 8. Добеши И. Десять лекций по вейвлетам. — М.: РХД, 2001.—210 с. Поступила в редакцию 03.04.2012 НОВЫЕ КНИГИ Б.Е. Патон, Л.М. Лобанов, А.Я. Недосека, С.А. Недосека, М.А. Яременко Акустическая эмиссия и ресурс конструкций: Теория, методы, технологии, средства, применение. — Киев.: Изд-во «ИНДПРОМ», 2012. - 312 с. Альбом наглядно описывает акустические явления в материалах, связанные с дискретным характером их разрушения при приложении нагрузки различных видов. Дискретный характер разрушения приводит к появлению импульсов упругих волн (кван- тов излучения), распространяющихся в материале от места разру- шения и строго соответствующих характеру и виду разрушения или изменениям его структуры. Это явление получило название акустической эмиссии (АЭ). Показаны основные факторы, снижающие предельные усилия, при которых появляется АЭ. В альбоме также показано практическое применение АЭ при оценке состояния материалов конструкций, приведены разработанные на основе АЭ технологии контроля, необходимое оборудование и приборы. Показано, что в процессе не- прерывного мониторинга контроль конструкций с оценкой их остаточного ресурса может осуществляться как на месте, так и дистанционно. Альбом предназначен для специалистов, занимающихся технической диагностикой конструкций или про-ходящих переподготовку на курсах повышения квалификации, преподавателей соответствующих специальностей при чтении лекций и проведении практических занятий, а также студентов и аспирантов, изучающих явление акустической эмиссии и применяющих эти знания при практическом контроле рабо- тоспособности конструкций. Альбом представляет интерес для широкого круга инженеров и научных работников технических специ- альностей. Акустична емісія при діагностуванні стану схо- вищ аміаку ВАТ «Одеський припортовий завод» / Під ред. проф. А.Я. Недосєки. К. Вид-во «ІНДПРОМ», 2012.— 96 с. Альбом може бути корисним для широкого загала інженерів та наукових співробітників техничних спеціальностей, а також студентів та аспірантів, що вивчають явища акустичної емісії. ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3,2012 47

Мониторинг качества контактной точечной сварки переменным током с применением вейвлет-анализа

Institution

Ähnliche Einträge