Технологические манипуляторы. 
Технология обработки материалов. 
Оборудование электронно-лучевых комплексов

Перемещение изделия относительно электронного пучка обычно осуществляется с помощью электропривода. В настоящее время основным типом используемого привода является шаговый привод или сервопривод. При использовании передач типа шариковых винтовых пар точность позиционирования детали относительно пучка может составлять 1 мкм и выше. Для управления приводом используются системы программного управления перемещения, использующие промышленные языки программирования (например, G-коды).

Перемещение электронной пушки используют при сварке крупных и средних изделий. При сварке малогабаритных изделий с помощью манипуляторов перемещают изделие.

При построении манипуляторов электронно-лучевых сварочных установок приходится решать следующие проблемы: ввод многокоординатного движения в вакуумную камеру; выбор кинематики механизмов и материалов для них, работающих в условиях вакуума; отвод тепла от приводов манипуляторов, работающих в вакууме; выбор типа электродвигателей, работающих в вакууме и обеспечение точности позиционирования порядка 1—2 мкм.

Традиционным решением задачи выбора кинематической схемы манипулятора является расположение одного или нескольких электродвигателей снаружи вакуумной камеры и ввод в нее вращательного или поступательного движения через вакуумные уплотнения или сильфоны. Ввод поступательного движения в вакуумную камеру через резиновое уплотнение, не обеспечивая полной герметизации, приводит еще и к существенному увеличению усилия сопротивления движению, обусловленному силой трения в уплотнении и силой, создаваемой разностью давлений внутри и снаружи камеры. Кроме того, один ввод движения через вакуумное уплотнение позволяет передать движение только по двум координатам (вращательное и поступательное движение) при значительном усложнении кинематической схемы как снаружи, так и внутри вакуумной камеры. Устранить некоторые недостатки резиновых вакуумных уплотнений позволяет использование уплотнений с магнитными жидкостями. Однако и в этом случае указанные выше ограничения по передаче движения в вакуумную камеру сохраняются.

Последние годы все большее распространение получают вводы вращательного движения на постоянных магнитах, разработанные фирмой UHV systems. Основная область применения таких вводов — сверхвысоковакуумные установки для производства изделий электроники и научных исследований. Конструкция вводов обеспечивает экранирование магнитных полей, создаваемых магнитами. Однако в области сварочных технологий такие вводы пока распространения не получили ввиду относительно высокой стоимости и ограничений по передаваемому моменту вращения.

Современный подход к построению манипуляторов для электроннолучевых сварочных установок основывается на размещении электродвигателей непосредственно в вакуумной камере, что позволяет упростить кинематическую схему, уменьшить мощность двигателей и габариты манипулятора. Поскольку коллекторные двигатели в условиях вакуума могут работать неустойчиво, приводы манипуляторов необходимо выполнять на бесконтактных двигателях. При этом напряжение питания двигателей манипулятора не должно превышать 12—24 В.

Отвод тепла от расположенных в вакуумной камере электродвигателей осуществляют двумя способами. Корпус двигателя, расположенного неподвижно относительно камеры установки, соединяют теплоотводом со стенкой камеры. Корпуса двигателей остальных координат, перемещающихся внутри камеры, снабжают радиаторами с разветвленной поверхностью для обеспечения передачи тепла излучением.

При расположении электродвигателей манипулятора внутри вакуумной камеры электронно-лучевой установки необходимо учитывать особенности системы управления манипулятором. По существу приводы манипулятора являются следящими системами, выходными величинами которых служат перемещения или углы поворота координат. Следящие системы требуют применения датчиков перемещения или поворота, установка которых в вакуумной камере сопряжена с определенными техническими трудностями. Более предпочтительно для построения приводов манипулятора использовать бесконтактные двигатели, не требующие введения специальных датчиков положения.

Шаговые электродвигатели наиболее полно удовлетворяют требованиям, предъявляемым манипуляторами для электронно-лучевых сварочных установок. Они являются многополюсными (тихоходными) двигателями, что позволяет уменьшить передаточные числа редукторов или совсем отказаться от них. Например, используемые в манипуляторах для прецизионных электронно-лучевых сварочных установок шаговые двигатели типа ДШИ-200 и ШД-5, обеспечивают непосредственно на валу угловой шаг (дискретность управления) на уровне 0,9—1,8°, что удовлетворяет технологическим требованиям. Для обеспечения линейного перемещения изделия в манипуляторах используют шариковые винтовые пары, которые в сочетании с шаговыми двигателями вращательного движения позволяют получить дискретность линейного перемещения на уровне 5—10 мкм. Высокий КПД шариковых винтовых пар, достигающий 0,95, в сочетании с практическим отсутствием люфтов в передаче обеспечивает высокую точность отработки заданного перемещения.

Конструкции шаговых двигателей характеризуются большим разнообразием. Разработаны шаговые двигатели, позволяющие без дополнитсльных кинематических преобразователей в одной конструкции реализовывать двухкоординатное перемещение изделия, в частности поступательное и вращательное.

Дискретный электропривод с шаговыми двигателями по структуре и выполняемым функциям представляет собой разомкнутую импульсную следящую систему без датчиков положения. Это позволяет, с одной стороны, сократить число проводов, которые необходимо вводить в вакуумную камеру, а с другой — упростить систему управления.

Недостаток, который присущ дискретному приводу с шаговым двигателем как колебательной системе с низким демпфированием устраняется при проектировании подбором параметров нагрузки или использованием специальных методов управления, например дробления шага. Таким образом, использование шаговых двигателей в манипуляторах для электронно-лучевых сварочных установок позволяет реализовать любые сложные траектории движения свариваемых изделий.

На рисунке 4.26 приведены схемы наиболее часто используемых в установках для сварки малогабаритных изделий манипуляторов с шаговыми двигателями. На схеме (см. рис. 4.26, а) показан общий вид двухкоординатного манипулятора, обеспечивающего поступательное перемещение изделия по координатам X и Y с помощью шаговых двигателей вращательного движения ШД-Х и ШД-Y. Преобразование вращательного движения шаговых двигателей в поступательное движение стола (координата X) и каретки (координата У) осуществляется с помощью шариковых винтовых пар.

Для уменьшения сил трения при перемещении стола и каретки используются роликовые опоры качения, обеспечивающие еще и повышение точности при поступательном движении изделия. Такая схема двухкоординатного стола применяется в установке прецизионной сварки и размерной обработки ЭЛУРО-М с величиной перемещения стола и каретки до 150 мм. Она является типовой и широко используется также в металлообрабатывающих станках, в частности с числовым программным управлением, и обеспечивает точность перемещения не ниже 20 мкм.

В результате проведенных исследований было установлено, что магнитные поля, создаваемые обмотками двигателей, вызывают отклонение электронного пучка от главной оптической оси и искажение фокального пятна на изделии. Для снижения влияния магнитных полей, создаваемых обмотками двигателей, устанавливают кожухи-экраны, соединенные с корпусом камеры. Кроме этого, необходимо экранировать все проводники, находящиеся в вакуумной камере, поскольку бомбардировка.

Рис. 4.26. Схемы манипуляторов для прецизионной электронно-лучевой сварки с двигателями, установленными внутри вакуумной камеры:

а) двухкоординатный стол; б) трехкоординатный манипулятор для сварки тел вращения; в) четырехкоординтаный манипулятор с револьверной головкой

диэлектриков вторичными и отраженными электронами может приводить к накоплению электрического заряда. Заряд, накапливающийся на изоляции проводников, может приводить к ее пробою, а также оказывать влияние на геометрию электронного пучка.

Трехкоординатный манипулятор, схема которого показана на рис. 4.26, б, используется для сварки тел вращения (труб, стержней и т. п.). Здесь привод координат А' и У реализуется так же, как и в схеме на рис. 4.26, а. Свариваемое изделие закрепляется в патроне и задней бабке и приводится во вращение двигателем ШД-<�р. Характерно, что использование шаговых двигателей в схемах манипуляторов, показанных на рис. 4.26, позволило существенно упростить кинематику и конструкцию манипуляторов.

Схема четырехкоординатного многопозиционного манипулятора револьверного типа показана на рис. 4.26, в. Такой манипулятор используется в установке типа ЭЛА-50/5М для сварки тонкостенных труб. Приводы по координатам А' и У в схеме на рисунке 4.26, в выполнены так же, как и в схеме на рисунке 4.26, б. Поворот револьверной головки осуществляется двигателем ШД-N. Особенностью кинематической схемы манипулятора на рисунке 4.26, в можно считать использование одного привода ШД-<�р (в механизме используются два двигателя, работающих на одну нагрузку) для поочередного вращения свариваемых изделий через зубчатую передачу.

На рисунке 4.27 приведена фотография манипулятора для последовательной электронно-лучевой сварки восьми цилиндрических изделий, устанавливаемых одновременно в вакуумную камеру. Зажим деталей в данной конструкции осуществляется с помощью цанговых патронов и задних бабок. Особенностью приведенной конструкции манипулятора является использование двух шаговых двигателей, работающих на общую нагрузку, что обеспечивает увеличение момента. При вращении валов двигателей по часовой стрелке поворачивается револьверная головка, а при вращении двигателей против часовой стрелки обеспечивается вращение деталей при неподвижной головке. Для организации такой работы манипулятора в кинематической схеме предусмотрен храповик.

Рис. 4.27. Общий вид манипулятора для последовательной электронно-лучевой сварки восьми цилиндрических изделий, устанавливаемых одновременно в вакуумную камеру.

Такое конструктивное решение много координатного манипулятора позволяет уменьшить число управляемых координат с учетом технологических особенностей процесса сварки. Следует также иметь в виду, что использование разветвленной кинематики манипулятора приводит к необходимости применения специальных вакуумных смазок.

Как было сказано в разделе 4.3, системы управления оборудованием для электронно-лучевой сварки строятся в настоящее время по «иерархическому» принципу. Верхний уровень системы управления реализуется на базе промышленного контроллера, а нижний — на базе программируемых контроллеров, управляющих отдельными агрегатами (локальными регуляторами) установки. На рисунке 4.28 приведена функциональная схема локального регулятора управления шаговыми двигателями двухкоординатного манипулятора, который подключен к системе верхнего уровня. Один контроллер используется для управления двумя шаговыми двигателями. На схеме, показанной на рисунке 4.28, раскрыты элементы, относящиеся к управлению одной координатой X манипулятора. Схема управления координатой У построена аналогично.

Рис. 4.28. Функциональная схема системы управления перемещением изделий при электронно-лучевой прецизионной сварке.

БУ — блок управления; ЛУ — логическое устройство; Д — драйвер инвертора; И — инвертор; БОР — блок оптронных развязок; Р — герметичный электрических разъем; М — двигатель; ШВП — шариковая винтовая пара; SQ1, SQ2 — концевые выключатели; Ан (Вк), Ак (Вн), Бн (Гк). Бк (Гч) — выводы обмоток шагового двигателя; CW— вход управления вращением по часовой стрелке; CCW — вход управления вращением против часовой стрелки

Четырехобмоточный шаговый двигатель М типа ДШИ-200−3 приводит в движение шариковую винтовую пару ШВП, преобразующую вращательное движение вала двигателя в поступательное движение манипулятора. Для ограничения движения манипулятора по координате Л" установлены концевые выключатели SQ1 и SQ2. Обмотки двигателя, установленного в экранированном корпусе внутри вакуумной камеры, подключены к блоку управления шаговым двигателем БУ. Вывод проводников из камеры осуществляется через герметичный разъем Р.

Блок БУ., управляемый частотными сигналами CW (Clockwise, по часовой стрелке) и CCW (counterclockwise, против часовой стрелки), а также сигналами концевых выключателей SQ и SQ2, обеспечивает подачу силовых импульсов на обмотки двигателя М. В состав блока входят: логическое устройство У7У, усилитель мощности —драйвер Д₉ вырабатывающий сигналы управления транзисторами инвертора //, коммутирующего обмотки шагового двигателя. Логическое устройство блокирует подачу частотно-модулированного управляющего сигнала при срабатывании концевого выключателя, т. е. при подаче на вход БУ логического нуля от SQ или SQ2. Для генерации частотных сигналов по координатам X и Y используется контроллер, формирующий систему управляющих импульсов, обеспечивающих двухкоординатное перемещение стола. На вход контроллера поступает информация от системы верхнего уровня. Примером контроллера может служить устройство Step-200 фирмы ICPDAS, имеющее интерфейс ISA (Industry Standard Architecture), широко применяемый в промышленных компьютерах. На входы устройства также подаются сигналы от концевых выключателей SQ и SQ2, что обеспечивает аппаратное задание точки отсчета координаты и дублирует систему ограничения перемещения. Для защиты контроллера и системы управления верхнего уровня от перенапряжений, а также для разделения «логического» и «силового» нулевого потенциалов используются блоки оптических развязок БОР. Система верхнего уровня обеспечивает программное управление перемещением изделия по заданной траектории. Обязательным условием для построения системы верхнего уровня является наличие аппаратного таймера для синхронизации сигналов управления манипулятором, током электронного пучка, токами отклоняющих и фокусирующих систем.

Основной тенденцией при построении манипуляторов для прецизионной электронно-лучевой сварки является применение бесконтактных низковольтных дискретных двигателей, устанавливаемых внутри вакуумной камеры. При этом накладываются ограничения по мощности, обусловленные ухудшением теплоотдачи в вакууме. Кроме того, необходимо экранирование источников электромагнитных полей, которые могут оказывать влияние на геометрические характеристики электронного пучка. В конструкции манипулятора необходимо применять материалы и смазки с низким газовыделением. Детали, расположенные вблизи электронной пушки, или непосредственно примыкающие к области воздействия электронного пучка, необходимо выполнять из немагнитных материалов. В случае применения диэлектриков их необходимо помещать в проводящую оплетку для обеспечения стекания элекгрического заряда. Ввод силовых и управляющих электрических сигналов в вакуумную камеру должен обязательно осуществляться через герметичные разъемы. Для программного управления манипулятором целесообразно применять промышленные компьютеры и контроллеры, и обеспечивать гальваническую развязку цепей управления.

Очевидно, что параметры приводов перемещения изделия будут определять статические и динамические характеристики процесса сварки, поскольку погонная энергия зависит, в том числе, и от скорости сварки. Более того, канал регулирования скорости сварки можно рассматривать как дополнительный канал управления процессом.