Синхронизация в системе ЧПУ геометрических и электрических осей электронно-лучевой установки с целью повышения эффективности сварки авиационных конструкций

Авиационная промышленность — одна из ведущих и самых высокотехнологичных машиностроительных отраслей в мире. Требования, предъявляемые к технологическим процессам и реализующему их технологическому оборудованию, являются одними из самых высоких в машиностроении и продолжают расти с каждым годом по мере развития технического прогресса. Авиационная промышленность использует практически все виды технологических процессов и технологического оборудования, применяемых в машиностроении [1]. В данной работе рассматривается технологическое оборудование, реализующее процесс электронно-лучевой сварки (ЭЛС) элементов авиационных конструкций. Данный тип оборудования присутствует на каждом предприятии, выпускающем авиационную технику, так как позволяет производить сварку практически всех металлических конструкционных материалов, в том числе титановых сплавов [2].

По мере совершенствования и усложнения конструкции летательных аппаратов, совершенствовались и усложнялись технологические процессы и реализующее их технологическое оборудование, а также появлялись новые виды процессов и оборудования. С целью повышения производительности технологий и оборудования, а также качества изготавливаемых на нем деталей, стали разрабатываться различные системы управления и автоматизации производственных процессов. С развитием вычислительной техники появилась возможность создания системы числового программного управления (ЧЕТУ), являющейся в настоящее время основой автоматизации современного производства [3].

В настоящее время система ЧПУ располагает полным набором функциональных возможностей для автоматизации процесса обработки, позволяя тем самым практически полностью исключить человеческий фактор из процесса управления.

Применение системы ЧПУ дало возможность появлению принципиально нового структурного технологическрго образования на производстве — гибкой производственной ячейки (ГПЯ) и его дальнейшего развития — гибкой производственной линии (ГПЛ) [4−6].

Исторически сложилось [7], чтр системы ЧПУ появились в результате эволюции систем управления механообрабатывающих станков, и производители долгое время продолжали совершенствовать функциональные возможности по управлению взаимными перемещениями инструмента и заготовки. Этому способствовало большое численное превосходство (порядка 80%) механообрабатывающих станков над другими видами технологического оборудования. По этой причине системы ЧПУ были функционально ориентированы на механообрабатывающее оборудование и создавались, в первую очередь, для этого типа оборудования.

Ведущими зарубежными изготовителями систем ЧПУ произведена революция в области автоматизации производства в период 60−80 г. г. прошлого века, значительно поднявшая производительность труда и качество выпускаемых продуктов на таких производствах, а также открывшая новые возможности управлении предприятием [8,9]. Системы ЧПУ отечественного производства, выпущенные в конце прошлого — начале этого века, хотя и уступают по надежности и функциональным возможностям продукции ведущих мировых производителей, выигрывают по цене, обеспечивая при этом необходимую точность и, соответственно, качество обработки деталей.

Воздействия на заготовку, применяемые в технологическом оборудовании, разнообразны. Они могут носить электрическую, магнитную, электромагнитную, химическую и, в том числе, механическую природу. Взаимное перемещение органа, реализующего технологическое воздействие, и обрабатываемой заготовки осуществляется при помощи геометрических осей.

Оси, реализующие перемещения, в дальнейшем будем называть av^.V.V'V'WVt? геометрическими осями. Под геометрической станочной осью в данном случае понимается параметр, значение которого соответствует положению определенного исполнительного органа станка и является его управляющей величиной.

Кроме геометрических, необходимо рассмотреть оси, реализующие различное технологическое воздействие на обрабатываемую заготовку, например: механическое, электронное, электронно-ионное, фотонное, тепловое, магнитное, электрическое, электромагнитное, звуковое и др. воздействия. Примерами технологической реализации такого воздействия являютсяэлектронно-лучевая и лазерная сварка, пайка, ионно-вакуумное нанесение покрытия, обработка токами высокой частоты, ультразвуком и т. п. Такие оси будем называть электрическими осями, так как они реализуют управление обработкой посредством изменения амплитуды и формы для напряжения и тока.

В отличие от механообрабатывающего технологического оборудования, установки электронно-лучевой сварки и пайки, лазерной сварки и полировки, ионно-вакуумного нанесения покрытия не имеют типового решения по части управления. Существующие образцы систем управления российского производства для данных видов оборудования (в дальнейшем будем называть такое оборудование комбинированным) являются узкоспециализированными и разрабатываются под каждую технологическую установку индивидуально. Большинство из них построены на базе IMB-совместимых персональных компьютеров (ПК) и не обеспечивают достаточной автоматизации производственного процесса, так как являются децентрализованными, то есть, разделены на две частично или полностью независимые системы: для управления геометрическими и электрическими осями. При этом большую часть технологических операций, в том числе синхронизацию управления данными осями, оператор вынужден выполнять в ручном режиме.

Помимо этого, большинство систем управления таким технологи8 ческим оборудованием не поддерживает выполнение управляющих программ, написанных на едином стандартизированном языке ISO-7bit (именуемым языком G-команд) [10], что значительно снижает удобство работы, усложняет подбор и обучение персонала: операторам и программистам-технологам необходимо дополнительно изучать нестандартные языки для написания управляющих программ.

Решением проблемы несовместимости систем управления геометрическими и электрическими осями может стать разработка специализированной системы ЧПУ, позволяющей синхронно управлять геометрическими и электрическими осями, используя при этом управляющие программы, написанные на едином стандартизированном языке. Это также позволит облегчить и ускорить подготовку специалистов для работы на таком оборудовании, обеспечит значительное повышение его производительности и качества обрабатываемых на нем деталей.

На основании вышесказанного, тема диссертационной работы является актуальной при непрерывно растущей потребности в современном комбинированном технологическом оборудовании, в условиях отсутствия на рынке (в первую очередь, российском) не только серийно выпускающихся современных систем управления для него, но даже выработанной единой концепции построения таких систем.

В основу данной диссертационной работы положены результаты научно-исследовательских работ, выполненных в ОАО «Национальный институт авиационных технологий» («НИАТ») по разработке системы управления установкой электронно-лучевой сварки «ЭЛУ-20АМ».

Целью данной диссертационной работы является повышение производительности технологического процесса и качества ЭЛС элементов авиационных конструкций путем применения специализированной системы ЧПУ, позволяющей синхронно управлять геометрическими и электрическими осями.

Научная новнзна работы определяется полученными в ней сле9 дующими результатами: на основании выявленных взаимосвязей разработан метод синхронизации управления параметрами электронного луча (электрические оси) и взаимными перемещениями свариваемых деталей и ЭЛП (геометрические оси) в рамках одной системы ЧПУ, значительно повышающий производительность ЭЛУ и обеспечивающий высокое качество изделий, получаемых методом ЭЛСпостроена математическая модель специализированной системы ЧПУ, основанной на открытой коммерческой системе управления класса PCNC, реализующая синхронное управление геометрическими и электрическими осямиразработана функциональная модель модуля управления ЭЛП, что позволяет в рамках одной специализированной системы ЧПУ управлять электронным лучомразработана функциональная схема видеоконтрольного устройства (ВКУ) высокой четкости, характеризующегося малой восприимчивостью к внешним помехам и позволяющего с высокой точностью реализовать функцию определения координат стыка свариваемых деталей в автоматическом режиме.

Практическая значимость работы состоит в разработке методики построения специализированной системы ЧПУ, предназначенной для синхронного управления геометрическими и электрическими осями ЭЛУ, что позволяет повысить эффективность сварки авиационных конструкций.

Основные положения работы опубликованы в 5 печатных работах, докладывались на 2 научно-технических и научно-практических конференциях.

Общие выводы по работе.

Разработанная математическая модель и реализованная на ее базе система управления технологическим процессом ЭЛС в сочетании с набором предложенных алгоритмов и методик по ее настройке, а также результатами практического внедрения на установке «ЭЛУ-20АМ» позволяют сделать следующие выводы по работе:

1. За счет создания и внедрения специализированной системы ЧПУ решена задача повышения эффективности применения ЭЛУ, включающая: повышение качества ЭЛС (уменьшение количества брака с 16% до 2% в сварных соединениях наибольшей сложности), сокращение времени на всех этапах цикла проведения ЭЛС в 1.5−2.5 раза, снижение себестоимости проведения работ по изготовлению деталей с помощью ЭЛС в 2−3 раза. Решение данной задачи имеет важное значение для авиационной промышленности.

2. Выявлены взаимосвязи между параметрами, управляющими процессом ЭЛС (электрические оси), и взаимными перемещениями свариваемых деталей и ЭЛП (геометрические оси), особенностью которых является то, что их использование в математической модели специализированной системы ЧПУ позволяет повысить точность синхронизации геометрических и электрических осей.

3. По совокупности результатов проведенных исследований разработана математическая модель специализированной системы ЧПУ, отличающаяся от традиционной модели наличием модуля управления ЭЛП для проведения сварки в вакууме и модуля ВКУ для осуществления наведения на стык свариваемых деталей. Построена схема программно-аппаратной реализации специализированной системы ЧПУ на базе открытой коммерческой системы управления класса PCNC.

4. Разработана функциональная модель модуля управления ЭЛП.

Отличительной особенностью данного модуля является реализация.

109 следующих электрических осей: ось тока луча, ось тока фокусировки луча, оси токов магнитных линз, отклоняющих луч по осям абсцисс и ординат системы координат пушки.

5. Разработана функциональная схема модуля ВКУ высокой четкости, особенностью которого является малая восприимчивость к внешним помехам, что позволило получить изображение стыка свариваемых деталей с малым зазором (менее 0.5 мм) и реализовать определение координат данного стыка в автоматическом режиме.

6. Технологической процесс ЭЛС экспериментальных образцов авиационных конструкций в опытном производстве ОАО «НИАТ» рекомендуется осуществлять на установке «ЭЛУ-20АМ» под управлением созданной специализированной системы ЧПУ.

7. Полученные теоретические и практические результаты исследований рекомендуется использовать в высших учебных заведениях при подготовке бакалавров, магистров, инженеров, а также научных кадров, в частности в учебной дисциплине «Структура и математическое обеспечение систем управления» кафедры «Компьютерные системы управления» ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

Заключение

.

Стоит отметить, что разработанная в данной диссертационной работе специализированная система ЧПУ пригодна также для использования в ряде других установок, применяемых в настоящее время на предприятиях авиационной промышленности. Ее модульная конструкция позволяет наращивать функциональные возможности системы, что делает возможным ее применение на находящихся в разработке перспективных моделях ЭЛУ.

Разработанный модуль управления ЭЛП обладает техническими характеристиками и функциональными возможностями, являющимися избыточными применительно к поставленной задаче. Это дает основания утверждать о пригодности его применения в ряде других задач по разработке и модернизации систем управления для комбинированного технологического оборудования.

Однако функций, реализованных в модуле управления ЭЛП, может оказаться недостаточно для управления отличными от ЭЛП исполнительными элементами, реализующими электрические оси. С этой целью должно быть проведено дополнительное исследование, выходящее за рамки темы данной диссертационной работы.