CC BY
15УДК:621.791.16
AВТОМАТИЗАЦИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ
В.Н. Хмелев, Д.В. Генне, Д.С. Абраменко, С.С. Хмелев
Статья посвящена разработке концепции создания ультразвуковых сварочных линий. Рассмотрены отдельные блоки и алгоритмы их функционирования. Даны рекомендации по использованию ультразвукового оборудования.
Ключевые слова: сварка, ультразвук, автоматизация.
ВВЕДЕНИЕ
Для обеспечения высокой
производительности выполнения сварных соединений возникает необходимость создания автоматизированных линий, позволяющих осуществлять производство (выполнение сварных соединений) с минимальным участием оператора. Поскольку, автоматизированная линия для реализации процесса ультразвуковой сварки объединяет в себе устройства позиционирования, перемещения
свариваемых заготовок изделия для формирования сварного шва и ультразвуковое оборудование возникает необходимость своевременного и стабильного дозирования ультразвукового воздействия, а также отслеживание аварийных ситуаций и принятие решений по их устранению. Поэтому, наряду с разработкой механических систем сварочных линий и систем перемещения излучающего ультразвуковые колебания устройства, автоматизация процесса требует создания и применения управляющих блоков,
реализующих алгоритмы перемещения изделия и излучателя, алгоритмы сварки, разработку управляющих программ и алгоритмов управления ультразвуковыми генераторами.
Структурная схема управления автоматизированной сварочной линией
Для реализации процесса
ультразвуковой сварки различных изделий в автоматизированных линиях предложена общая структурная схема управления процессом, схематично показанная на рисунке 1.
Основными составляющими
автоматизированной сварочной линии являются:
- блок индикации, отвечающий за связь с оператором, обеспечивающий ввод управляющей информации, вывод информационных сообщений и т.п.;
- один или несколько ультразвуковых генераторов с пьезоэлектрическими колебательными системами, обеспечивающими необходимую для сварки амплитуду колебаний сварочных инструментов;
- системы управления приводами перемещения свариваемого изделия и колебательной системы.
- система прижима, обеспечивающая сжатие свариваемого изделия между сварочными инструментами и опорами.
Рисунок 1 - Общая структурная схема автоматизированной сварочной линии
К ультразвуковым генераторам, используемым в автоматизированных сварочных линиях, предъявляются особые требования, обусловленные необходимостью передачи информации в управляющие блоки о состоянии ультразвукового генератора (ошибки, режимы работы, и т.д.), а также необходимостью обеспечения повышенных динамических характеристик генераторов для увеличения производительности
ультразвуковой сварки.
Типичная структурная схема
ультразвукового генератора представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 - Структурная схема ультразвукового генератора
Одним из основных блоков генератора, влияющих на скорость нарастания амплитуды колебаний, а также на точность её поддержания в процессе сварки является регулятор напряжения, задающий напряжение питания выходного инвертора.
В простейших реализациях
используемых в практике генераторов применяется тиристорный регулятор
напряжения. В таких регуляторах на выходе схемы неизбежно возникают пульсации [1].
Применение чопперного регулятора, совместно с модификацией алгоритма стабилизации амплитуды колебаний, позволяет уверенно работать при малых интервалах (0,1с.) ультразвукового воздействия. Это, в свою очередь, позволяет повышать производительность оборудования в целом, снимая ограничения по скорости реализации процесса сварки.
Для формирования качественного сварного шва необходимо равномерное распределение УЗ энергии по площади всего формируемого шва, Это может быть
обеспечено только при стабильном прижиме.
Для обеспечения заготовок в зону сварки, а готовых изделий из используются различные перемещения. Это могут быть
равномерном и
транспортировки также для вывода зоны сварки механизмы различного
рода конвейеры или роторы. В любом случае, для точного позиционирование изделий в сварочной зоне необходимо применение дополнительных датчиков. Это позволяет скомпенсировать неточности в изготовлении транспортирующего механизма. В связи с этим возникает необходимость применения специального блока управления приводом, структурная схема которого представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Структурная схема блока управления приводами
Как следует из структурной схемы - блок управления приводами состоит из управляющего микроконтроллера, драйверов шаговых двигателей и соответствующих им датчиков, определяющих положение системы перемещения.
Для обеспечения эффективного ввода УЗ колебаний в свариваемый материал и получения качественного сварного соединения необходимо обеспечивать механический и акустический контакт между свариваемым изделием и рабочим инструментом излучателя УЗ колебаний. Для этого необходимо обеспечивать
нормированное усилие прижима рабочего инструмента к свариваемому изделию.
Рисунок 4 - Структурная схема блока управления системой прижима
Блок управления системой прижима (рисунок 4) состоит из управляющего микроконтроллера, клапанов управления пеневмоцилиндрами и датчиков положения пневмоцилиндров. Информации, полученная с датчиков положения пневмоцилиндров используется для определения наличия свариваемых изделий, определения ошибочных ситуация, и как сигнал перехода к следующей операции.
Алгоритм выполнения сварного соединения в автоматизированных сварочных линиях представляет собой выполнение следующих основных действий:
1. Установка заготовок свариваемого изделия.
2. Транспортировка заготовок в зону сварки.
3. Прижим заготовок.
4. УЗ воздействие.
АВТОМАТИЗАЦИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ
5. Выдержка необходимого времени стабилизации сваренного шва.
6. Транспортировка сваренного изделия в зону сброса готовых изделий.
Примеры практической реализации сварочных линий
С учетом рассмотренной выше концепции были разработаны и реализованы несколько автоматизированных линий, предназначенных для сваривания различных изделий из термопластичных материалов.
На рисунке 5 представлен внешний вид линии для соединения двух полусфер из термопластичных материалов диаметром от 10 мм до 50 мм методом ультразвуковой низкотемпературной сварки.
Рисунок 5 - Линия для соединения двух полусфер
Представленная линия имеет в своем составе механизм перемещения и прижима [3,4] (с двумя параллельными транспортными потоками), два комплекта ультразвукового сварочного оборудования, а также блок управления, осуществляющий контроль всего процесса формирования сварного соединения.
На рисунке 6 представлена автоматизированная линия для соединения двух полусфер из термопластичных материалов одинакового диаметра методом ультразвуковой сварки.
Представленная линия состоит из транспортирующего роторного механизма с захватами для свариваемых заготовок, механизма прижима и двух сварочных ультразвуковых комплектов.
Рисунок 6 - Линия для соединение двух полусфер из термопластичных материалов
На рисунке 7 представлен еще один тип разработанной сварочной линии. В этой линии не происходит перемещение свариваемых заготовок, а перемещается сварочный инструмент, выполняющий шовно-шаговую сварку заготовки по контуру.
Рисунок 7 - Линия для шовно-шаговой сварки по контуру
Созданная автоматизированная
сварочная линия для упаковки (блистеров) различных продуктов и изделий состоит из сварочной опоры (стол) с выборкой под нижнюю часть свариваемой заготовки, системы перемещения сварочного инструмента, обеспечивающую
позиционирование сварных точек по контуру свариваемого изделия, системы прижима, и одного комплекта сварочного оборудования.
ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представленная в статье концепция построения автоматизированных линий позволяет разрабатывать и реализовывать на практике автоматизированные линии для сварки разнообразных по форме и размерам изделий из различных по свойствам термопластичных материалов с
производительностью до 2500 штук изделий в час.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Барсуков Р. В. Повышение качества работы УЗ технологических аппаратов на примере процесса сварки тонких листовых материалов [текст] / Е. В. Ильченко, Д. С. Абраменко // EDM' 2011: XII Международная конференция - семинар молодых специалистов по микро- и нанотехнологиям и электронным устройствам. Новосибирск 2011.
2. Семенов. Б. Ю. Силовая электроника от простого к сложному [текст] Б.Ю. Семенов. / - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008, -- 416.с.:ил.
3. Хмелев В.Н. Устройство конвейерного типа для ультразвуковой сварки изделий из термопластичных материалов, В.Н. Хмелев, С.С. Хмелёв, Д.В. Генне, Д.С. Абраменко, А.Д. Абрамов, М.В. Хмелев. // Южно-сибирский научный вестник -2013. - № 1(3). - С. 95-98.
4. Патент 132370 Российская Федерация, МПК В23К20/10. Устройство конвейерного типа для ультразвуковой сварки изделий из термопластичных материалов [Текст] / В.Н. Хмелев, С.С. Хмелев, Д.В. Генне, Д.С. Абраменко, А.Д. Абрамов, М.В. Хмелев; заявитель и патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью "Центр ультразвуковых технологий". - № 2013109465/02, заявл. 04.03.; опубл. 20.09.13. Бюл. № 26. - 5 с.
Хмелев В.Н. - д.т.н., профессор, директор по научной работе МИП ООО «Центр ультразвуковых технологий АлтГ-ТУ», тел. 8(3854) 43-25-70, e-mail: vnh@bti. secna. ru.
Генне Д.В. - инженер-программист МИП ООО «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ», тел. 8(3854) 43-25-70, e-mail: gdv@bti.secna.ru.
Хмелев С.С. - к.т.н., доцент, ведущий конструктор МИП ООО «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ», тел. 8(3854) 43-25-70, e-mail: ssh@bti.secna.ru.
Абраменко Д.С. - к.т.н., доцент, главный метролог МИП ООО «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ», тел. 8(3854) 43-25-70, e-mail: ades@bti.secna.ru.
