CC BY
2
Просьба ссылаться на эту статью в русскоязычных источниках следующим образом:
Щербаков А.В., Кожеченко А.С., Родякина Р.В., Гончаров А.Л., Ластовиря В.Н. Контроль положения точки подачи присадочной проволоки в процессе аддитивного формообразования металлических изделий // Вестник ПНИПУ. Машиностроение. Материаловедение. - 2023. - Т. 25, № 3. - С. 77-86. DOI: 10.15593/2224-9877/2023.3.08
Please cite this article in English as:
Shcherbakov A.V., Kozhechenko A.S., Rodyakina R.V., Goncharov A.L., Lastovirya V.N. Control of filler wire feed point position in the process of metal products additive manufacturing. Bulletin of PNRPU. Mechanical engineering, materials science. 2023, vol. 25, no. 3, pp. 77-86. DOI: 10.15593/2224-9877/2023.3.08
ВЕСТНИК ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение
Т. 25, № 3, 2023 Bulletin PNRPU. Mechanical engineering, materials science
http://vestnik.pstu.ru/mm/about/inf/
Научная статья
DOI: 10.15593/2224-9877/2023.3.08 УДК 536.521.2
А.В. Щербаков1, А.С. Кожеченко1, Р.В. Родякина1, А.Л. Гончаров1, В.Н. Ластовиря2
1 Национальный исследовательский университет «МЭИ», Москва, Российская Федерация 2Московский политехнический университет, Москва, Российская Федерация
КОНТРОЛЬ ПОЛОЖЕНИЯ ТОЧКИ ПОДАЧИ ПРИСАДОЧНОЙ ПРОВОЛОКИ В ПРОЦЕССЕ АДДИТИВНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
Проблема непрерывного управления высотой слоя с оперативной корректировкой траектории перемещения относится к числу актуальных задач технологии и требует создания специальных датчиков, исполнительных устройств и алгоритмов. На сегодняшний день спрогнозирована общая структура таких систем управления, однако еще не разработаны типовые решения датчиков, исполнительных регуляторов и алгоритмов управления. Целью работы является создание системы управления, обеспечивающей коррекцию положения точки подачи присадочной проволоки в процессе трехмерной печати металлических изделий. Создаваемая система управления должна позволять реализовать как программные, так и следящие способы управления, обеспечивая снижение дефектов формообразования в виде отклонения размеров выращиваемого изделия от заданных. Предлагаемый способ управления подразумевает определение высоты каждого слоя на этапе моделирования наплавки электронным лучом с последующей передачей данных в CAM-систему для генерации программы перемещения роботизированного манипулятора. После формирования каждого слоя предполагается проведение измерений с помощью лазерного сканера и коррекция программы построения следующего слоя в случае выявления ошибок. В работе проведен анализ процесса формирования единичного валика при электронно-лучевой наплавке с подачей присадочной проволоки как объекта управления; показана перспективность применения обратной связи для стабилизации положения мундштука подачи в процессе наплавки и при синтезе алгоритмов управления. Приведены характеристики устройств системы управления и схема их соединения. Разработана управляющая программа, реализующая релейный способ управления со ступенчатым изменением скорости движения рабочего органа (8 ступеней скорости). Реализован алгоритм обработки сигнала с датчика на основе полинома пятой степени. Представлены результаты исследования работы системы. Показано, что для улучшения показателей ее точности и для ее использования при печати малогабаритных стенок изделий лучше использовать лазерный триангуляционный датчик.
Ключевые слова: электронно-лучевое аддитивное формообразование, корректировка траектории перемещения луча, непрерывный контроль высоты наплавляемого слоя, обратная связь, система управления, релейный способ управления, обработка сигнала, стабилизация положения мундштука подачи, фильтр сигнала, коэффициент дробления шага, точка ввода проволоки, качество регулирования, стабильность показаний датчика.
A.V. Shcherbakov1, A.S. Kozhechenko1, R.V. Rodyakina1, A.L. Goncharov1, V.N. Lastovirya2
''National Research University "Moscow Power Engineering Institute", Moscow, Russian Federation 2Moscow Polytechnic University, Moscow, Russian Federation
CONTROL OF FILLER WIRE FEED POINT POSITION IN THE PROCESS OF METAL PRODUCTS ADDITIVE MANUFACTURING
The problem of continuous control of deposition layer height with operational correction of movement trajectory is one of the actual technological problem. Its solving requires the creation of special sensors, actuators and algorithms. Now, the general structure of such control systems has been predicted, but standard solutions for sensors, executive regulators and control algorithms have not yet been developed. The purpose of this work is to create a control system that provides the correction of filler wire feed point position in the process of three-dimensional printing of metal products. The control system being created should allow to realize both software and tracking control methods, ensuring the reduction of shape defects in the form of a deviation in the grown product size from the specified ones. The proposed control method involves determining the height of each deposition layer at the stage of electron-beam deposition modeling, followed by data transmission to the CAM system to generate a program for moving a robotic manipulator. After the formation of each deposited layer, measurements are supposed to be carried out using a laser scanner and correction of the program for building the next deposited layer in case of errors. The paper analyzes the process of forming a single deposited layer during electron-beam depositing process with the supply of filler wire as a control object; the prospects of using feedback to stabilize the position of feed holder during deposition process and during control algorithms synthesis are shown. The characteristics of control system devices and their connection scheme are given. A control program has been developed that implements relay control method with a stepwise change in the working body movement speed (8 speed steps). An algorithm for signal processing from a sensor based on a fifth-degree polynomial is implemented. The results of the system operation study are presented. It is shown that in order to improve its accuracy and for its use in printing small-sized walls of products, it is better to use a laser triangulation sensor.
Keywords: electron beam free form fabrication, electron-beam trajectory correction, direct layer height control, feedback, control system, relay control method, signal processing, stabilization of feed holder position, signal filter, step division factor, filler wire insertion point, quality of regulation, sensor readings stability.
Введение
Аддитивное производство, или 3Б-печать, является одним из наиболее перспективных и востребованных направлений в области производства, которое имеет огромный потенциал применения в различных отраслях промышленности, включая энергетику, автомобильную и авиационную промышленность, медицину, электронику и многие другие. 3Б-печать позволяет создавать изделия из различных материалов, используя компьютерные модели и специальное оборудование.
В настоящее время широко внедряются технологии трехмерной печати изделий из металлических материалов, основанные на применении проволоки в качестве сырьевого материала [1-4]. Одной из актуальных задач управления данным процессом является непрерывный контроль высоты наплавляемого слоя, так как именно размеры этого слоя определяют дискретность построения всего изделия в целом [5-10]. В случае неправильного определения высоты наплавляемого слоя в процессе аддитивного выращивания изделий возникают различные дефекты, приводящие к браку при их производстве [11-15].
Постановка задачи
В последние десятилетия наблюдается растущий интерес к применению систем адаптивного определения высоты формируемого слоя при трехмерной печати, причем первые разработки в этой области относились к технологиям печати изделий из полимерных материалов, таким как
стереолитографическая, струйная и термоэкстру-зионная печать. Начиная со второй половины 2010-х гг., напротив, появились работы, в которых изучаются вопросы адаптивного определения высоты слоя применительно к технологиям печати изделий из металлических материалов с подачей присадочного материала в виде проволоки [9; 10].
Таким образом, проблема непрерывного управления высотой слоя с оперативной корректировкой траектории перемещения относится к числу актуальных задач технологии и требует создания специальных датчиков, исполнительных устройств и алгоритмов.
На сегодняшний день спрогнозирована общая структура таких систем управления, однако еще не разработаны типовые решения датчиков, исполнительных регуляторов и алгоритмов управления [14-17].
Поэтому целью данной работы является создание системы управления, обеспечивающей коррекцию положения точки подачи присадочной проволоки в процессе трехмерной печати металлических изделий. Создаваемая система управления должна позволять реализовать как программные, так и следящие способы управления, обеспечивая снижение дефектов формообразования в виде отклонения размеров выращиваемого изделия от заданных.
Система управления точкой подачи присадочной проволоки является одним из ключевых элементов в процессе аддитивного формообразования. Она позволяет контролировать точность и качество изготавливаемых изделий, а ее приме-
нение приводит к повышению эффективности производства. Исследования в области управления точкой подачи присадочной проволоки направлены на улучшение процесса формирования изделий, снижение затрат на их производство, повышение качества и ускорение производственных циклов, что особенно актуально для отраслей, где требуется высокая точность и качество изготавливаемой продукции.
Предлагаемый способ управления подразумевает определение высоты каждого слоя на этапе моделирования наплавки с последующей передачей данных в САМ-систему для генерации программы перемещения роботизированного манипулятора. После формирования каждого слоя предполагается проведение измерений с помощью лазерного сканера (рис. 1) и коррекция программы построения следующего слоя в случае выявления ошибок.
Методы решения поставленной задачи управления
Рассмотрим сначала простейший случай -определение высоты единичного наплавляемого слоя. В случае, если высота такого слоя определяется экспериментально, схему процесса можно отобразить так, как показано на рис. 2.
Эксперимент
(наплавка
одного слоя)
Рис. 1. Экспериментальный стенд для отработки адаптивного управления высотой наплавляемого слоя: 1 - роботизированный манипулятор, 2 - СМТ-инвертор, 3 - механизм подачи проволоки, 4 - сварочная горелка, 5 - алюминиевая подложка, 6 - манипулятор изделия, 7 - лазерный сканер, 8 - пирометр
В качестве входных параметров выступают ток пучка 1п, положение точки ввода проволоки 2п и скорость ее подачи Уп, а также скорость движения наплавочной головки. При этом выходным параметром в нашем случае будет высота слоя ЙЭКсп.
Режим наплавки: 1П, Тп Уп скорость движения головы
Рис. 2. Определение высоты единичного слоя
При переходе к следующим слоям повторяемость размеров валика нарушается - будет влиять в основном остаточный нагрев, то есть появляется возмущающий фактор. Эту проблему чаще всего решают серией экспериментов: первые слои закладывают более высокими, а толщину последующих слоев уменьшают по линейному или экспоненциальному закону до тех пор, пока режим теплообмена не перейдет к стационарному. Применение другого варианта - выдерживания «пауз» между слоями - существенно снижает производительность процесса (время пауз обычно оказывается на порядок больше времени наплавки) и тоже требует проведения предварительных экспериментов либо моделирования (рис. 3).
При возникновении труднопрогнозируемых факторов, связанных с изменением тепловых свойств прилегающих слоев, закон изменения высоты подобрать крайне сложно. В этом случае универсальным методом для решения задачи выбора высоты слоя является введение обратной связи по каналу высоты и корректировка положения точки ввода проволоки (рис. 4). Стабилизация положения точки ввода проволоки также принципиально необходима для предотвращения возникновения неустранимых дефектов процесса (колебаний высоты слоя и неполного проплавления материала).
Таким образом, для решения поставленной задачи предлагается создание системы управления положением точки подачи присадочной проволоки с применением датчика для измерения расстояния до валика для реализации цепи обратной связи.
Эксперимент (наплавка
слоев)
задание
коррекция гажт
I +
fw(l)
1-1 /
i-2
наплавка пауза т наплавка пауза г наплавка пауза „ г „ t
Рис. 3. Подбор пауз между слоями (серия экспериментов)
Режим наплавки: !„, Z- ,V„ скорость движения головы
Эксперимент (наплавка ^ ЭкСпО)
1,2...L..n слоев)
Непрерывная коррокция од
Рис. 4. Схема универсального метода для решения задачи выбора высоты слоя
Согласно результатам проведенных исследований [16-18], было установлено, что в первом приближении для обеспечения требуемой точности позиционирования точки ввода проволоки в ванну необходимо, чтобы дискретность перемещения точки ввода проволоки и дискретность измерения расстояния были как минимум на порядок меньше высоты валика, то есть составляли порядка 0,1 мм.
Датчики высоты наплавляемого слоя
Для контроля расстояния между электронной пушкой и формируемым изделием можно использовать различные бесконтактные типы датчиков: оптические (времяпролетный тип, лазерные триангуляционные), индукционные, радарные (радиочастотные), а также детекторы рентгеновского излучения и обратно рассеянных электронов. Особенности их применения для нашего случая, а также основные достоинства и недостатки представлены на рис. 5.
Совокупности требований для контроля расстояния между пушкой и формируемым изделием, включая точность измерения, рабочее расстояние и стоимость (см. рис. 5) в наибольшей степени отвечают оптические и лазерные датчики триангуляционного типа.
В рамках данной работы для отработки основных программно-аппаратных решений системы управления точкой ввода проволоки был выбран датчик общего применения Sharp GP2Y0A41SK0F с инфракрасным светодиодным источником излучения. Этот датчик обеспечивает измерение расстояния до объекта в диапазоне от 30 до 400 мм.
Разработка структуры системы управления
В состав создаваемой системы управления должны входить датчик, исполнительный электропривод и контроллер с программой управления. На рис. 6 представлена функциональная схема устройства для автоматической корректировки положения точки ввода присадочного материала.
Положение точки ввода проволоки будет зависеть от выбранного рабочего расстояния между электронной пушкой и подложкой (или первым слоем изделия). Это расстояние может задаваться либо вручную оператором после установки изделия в камеру, либо автоматически, от системы верхнего уровня.
После загрузки информации о требуемом расстоянии в контроллер, программа контроллера должна переходить в рабочий режим - то есть в режим стабилизации расстояния на этом значении. В случае отклонения расстояния из-за появившегося возмущения (например, высота слоя получилась ниже ожидаемой, и расстояние увеличилось), контроллер должен выдавать последовательность сигналов для смещения точки ввода проволоки вниз, то есть ближе к наплавленному слою. В случае возникновения обратной ситуации - чрезмерно низкая подача проволоки, чреватая ее загибанием и деформацией валика, - контроллер должен, наоборот, выдать последовательность сигналов для поднятия мундштука.
Оптические I Лазерные I Лазерные триангуляционные I времяпролетные I триангуляционные
Дискретность измерения
1-2 мм
- низкая точность,
- нужна защита оптики
1-2 мм низкая точность, нужна защита оптики
0,0025-0,1 мм + высокая точность, • нужна защита оптики
Индукционные
Емкостные
Радиочастотные
Дискретность измерения
н.д. (аналоговый сигнал)
н.д. (аналоговый сигнал) 0,001-0,01 мм (интерферометры)
- не требует защиты от паров + не требует защиты от паров малые рабочие расстояния - малые рабочие расстояния
Рис. 5. Типы бесконтактных датчиков
+ высокая точность, - высокая стоимость
Текущее значение расстояния определяется триангуляционным датчиком, считывание сигнала с которого происходит с частотой, достаточной для оперативной реакции на упомянутые возмущения.
Разность между уставкой и измеренным датчиком фактическим расстоянием до слоя является рассогласованием, то есть система представляет собой классическую следящую систему с обратной связью по расстоянию.
Очевидно, для решения поставленной задачи в наибольшей степени подходит цифровая система управления на базе микроконтроллера с аналогово-цифровым преобразователем для считывания сигнала датчика и возможностью внесения оперативных изменений в программу. Кроме того, сигнал расстояния и данные о текущих перемещениях положения точки ввода присадочного материала (мундштука) необходимо передавать в систему верхнего уровня (или оператору).
Для точного управления положением рабочего органа целесообразно использовать дискретный электропривод, либо сервопривод.
Таким образом, в состав системы управления должны входить: программируемый контроллер, исполнительный электропривод с драйвером (модулем управления), датчик расстояния с преобразователем сигнала и система электропитания.
\
(о; О
. .. -П
б
Рис. 6. Функциональная схема устройства автоматической коррекции положения точки ввода присадочного материала
Разработка программно-аппаратного комплекса для управления процессом
Характеристики датчика. Датчик, используемый в прототипе системы, проиллюстрирован рис. 7. Датчик содержит инфракрасный светодиод с длиной волны 870 нм (± 70 нм), и линейчатый фотоприемник (position sensitive detector - PSD), подключенный к схеме обработки сигналов. Минимальная длительность цикла измерения составляет 16,5 мс.
Рис. 7. Компоновка (а), внешний вид (б) и оптическая схема датчика (в)
Для электропитания датчика необходим источник питания с напряжением от 4,5 до 5,5 В и выходным током до 22 мА. Тип выходного сигнала - аналоговый. Связь выходного напряжения датчика в вольтах и расстояния до объекта приведена в паспортных характеристиках датчика.
Для непрерывной обработки сигнала с датчика в интервале от 35 до 400 мм с помощью Microsoft Excel был подобран полином 5-й степени:
L = -5-10" • U5 + 1 40-7 • U4 - 8 -10"5 • U3 + + 3,24 • 10-2 • U2 - 6,84U + 698,49,
где U - измеренный сигнал напряжения датчика, В, а L - расстояние, мм.
Выбор и описание электропривода. Для управления движением рабочей головки и регулирования скорости подачи материала в процессе
а
в
печати в аддитивных технологиях широко используются исполнительные электроприводы. В 3Б-пе-чати такие электроприводы используются для перемещения печатающей головки по трехмерным координатам. Кроме того, они также управляют экструдером, который наносит проволоку для создания слоя внутри изделия. С помощью электроприводов можно регулировать скорость и точность движения на каждом этапе печати, что приводит к более качественному и точному созданию изделия. Также исполнительные электроприводы могут использоваться в аддитивных технологиях для перемещения стола, на котором расположены изделия или обрабатываемые материалы. Это позволяет улучшить точность и скорость процесса, а также уменьшить риск ошибок. В целом использование исполнительных электроприводов в аддитивных технологиях позволяет оптимизировать процесс и получить более точный и качественный результат.
Выбор того или иного типа электропривода (шаговый, сервопривод, частотные приводы, линейные двигатели) зависит от тех требований и задач, которые необходимо выполнить.
В качестве исполнительного механизма в данной работе был выбран привод на основе шагового электродвигателя, оборудованный механической передачей типа «винт - гайка». Принцип работы такого электродвигателя с передачей типа «винт - гайка» заключается в выводе линейного перемещения вала на основе вращательного движения ротора мотора с использованием механизма передачи «винт - гайка».
Для линейного перемещения вала в работе использован актуатор «ЛА60» - устройство, основанное на шаговом двигателе и винтовой передаче. Вращение винта двигателем приводит к изменению положения гайки, связанной с штоком. В зависимости от направления вращения двигателя шток движется возвратно-поступательно.
Одним из важных достоинств данной системы является то, что даже при полушаговом режиме работы достигается перемещение штока с дискретностью 0,01 мм. А драйвер двигателя SMD-2.8DIN, предназначенный для управления шаговыми двигателями с максимальным током фазы 2,8 А, обеспечивает работу с дроблением шага до 256 от номинальной величины. Драйверы изготовлены на современной элементной базе с применением новых инженерных решений, что позволяет двигателям достигать высоких скоростей с сохранением полезного крутящего момента. Дробление основного шага до 1/256 обеспечивает исключительную плавность и точность позиционирования, а сигнал о состоянии блока FAULT позволяет отслеживать нештатные ситуации, возникающие в процессе
работы. Помимо этого SMD-2.8DIN имеют функцию STO (Safe Torque Off), обеспечивающую снятие момента удержания при аварийных ситуациях.
Контроллер и его подключение к элементам системы. В качестве программируемого контроллера удобно использовать имеющиеся на рынке отладочные платформы, наиболее известной из которых является Arduino. Немаловажно, что эта платформа имеет множество близких аналогов, в том числе и отечественного производства («Ам-перка», «Ваниль» и др.).
В нашем случае нет необходимости использовать мощное вычислительное ядро или большое число внешних модулей, поэтому была выбрана платформа Arduino UNO. Основным ядром платформы является микроконтроллер ATMega328P.
Схема соединения элементов системы управления положением точки подачи присадочной проволоки представлена на рис. 8. Для связи платформы с элементами системы используются как цифровые, так и аналоговые сигналы.
Рис. 8. Схема соединения элементов системы управления положением точки подачи присадочной проволоки
Для питания драйвера двигателя актуатора используется импульсный источник питания EDR-150-24 с выходным напряжением 24 В и мощностью 150 Вт. Контроллер подключается к драйверу через логические выходы D4...D6. Используется способ управления Step/Dir, при котором на вход Step подаются импульсы с частотой, соответст-
вующей скорости вращения (один импульс на один шаг двигателя, если не используется дробление шага), а на вход - логический сигнал «0» или «1», соответствующий направлению вращения (вперед или назад).
Кроме того, используется вход Enable, на который нужно подать логическую единицу для перевода драйвера в рабочий режим. Все сигналы имеют TTL-уровни (0...5 В), схема подключения входов - «с общей землей».
Для подключения датчика к контроллеру используется аналоговый вход A0, подключенный к АЦП с разрядностью 10 бит (1024 уровня напряжения) в диапазоне 0.5 В. Длительность обработки одного запроса АЦП - 100 мкс.
Датчик жестко устанавливается на шток ак-туатора и нацеливается на поверхность образцового валика (рис. 9). Предварительно проведенные исследования показали работоспособность датчика для контроля расстояния до поверхности образца из сплава Ti6Al4V (см. рис. 9).
Согласованное функционирование перечисленных устройств обеспечивается с помощью разработанной авторами работы управляющей программы.
Рис. 9. Положение датчика и тестового образца валика из сплава Т16Л14У
Предварительно проведенные исследования показали работоспособность разработанной системы для контроля расстояния до поверхности образца.
Экспериментальное исследование системы стабилизации точки подачи присадочной проволоки
Описанную систему можно реализовать, используя два различных алгоритма:
- в виде релейной системы с условием для определения скорости и направления движения;
- в виде ПИД-регулятора скорости.
В обоих случаях главным параметром системы является рассогласование АЬ:
где Ьуст - уставка расстояния от датчика до формируемого валика (здесь и далее принята равной 100 мм), Ьизм - фактически измеренное датчиком значение.
На данном этапе исследования предложен релейный тип системы, однако, поскольку ее реализация является программной, было решено внести в алгоритм некоторые параметры. Так, главной особенностью разработанной программы является обеспечение ступенчатого снижения скорости движения привода при уменьшении рассогласования от 2 до 0,1 мм (точки переключения - 2; 1; 0,75; 0,6; 0,4; 0,2; 0,1 мм). Такое решение, с одной стороны, снижает быстродействие системы, но с другой - повышает точность и снижает ошибку регулирования при значениях рассогласования, близких к нулю. Для этого импульсы управления приводом подаются «пакетами». Первоначально в программе были приняты параметры пакетов импульсов, представленные в таблице. Длительность и скважность импульсов не изменялась (10 мкс - импульс, 10 мкс - пауза), поэтому длительность одного «пакета» будет зависеть от величины рассогласования, но все равно будет меньше, чем один цикл работы по прерыванию (10 000 мкс).
В процессе исследований изменялись следующие параметры:
- коэффициент дробления шага двигателя (устанавливался в контроллере 8МБ-2.8 - от 8 до 64);
- интервал прерывания таймера (от 5000 до 25 000 мкс).
В ходе выполнения исследований был подобран ЯС-фильтр для датчика с сопротивлением 500 Ом и емкостью 2,2 мкФ (постоянная времени 1,1 мс) для устранения влияния шума и наводок и использован отдельный стабилизированный источник электропитания для датчика, а также был реализован программный фильтр типа «скользящее среднее» с осреднением по 8 измеренным значениям (измерения проводятся 1 раз в 10 мс).
Установлено, что основными параметрами, определяющими качество регулирования, являются стабильность показаний датчика и выбранный коэффициент дробления шага. Для примера на рис. 10 показана осциллограмма работы системы без аппаратного и программного фильтров, а на рис. 11 - с фильтром.
Также в примере, представленном на рис. 10, установлен коэффициент дробления шага 128 (более мелкий шаг, более низкая скорость движения), а в примере, представленном на рис. 11, - 16 (скорость перемещения выше), что, очевидно, влияет на быстродействие системы.
Параметры импульсов управления шаговым приводом в зависимости от величины
рассогласования
Величина Количество импульсов Длительность «пакета» импульсов без учета задержек
рассогласования (шагов двигателя) в «пакете» выполнения (с учетом задержек), мкс
М > 0 0 0 (0)
0,2 > М > 0,1 1 20 (34)
0,3 > М > 0,2 4 80 (136)
0,4 > М > 0,3 7 140 (238)
0,6 > М > 0,4 10 200 (340)
0,75 > М > 0,6 13 260 (442)
1 > М > 0,75 16 320 (544)
1 > М > 2 19 380 (646)
М > 2 22 440 (748)
Z, мм
возмущение 1
• W ' дл
• - ift •
Л. • •Г . * » чц, Ъ Л V , ' / * + • • t
t. с
Рис. 10. Пример работы системы при отсутствии фильтра сигнала с 128-кратным
дроблением шага
Рис. 11. Пример работы системы с фильтром (программным и аппаратным) и коэффициентом
дробления 16
Заключение
1. Проведен анализ процесса формирования единичного валика при электронно-лучевой наплавке с подачей присадочной проволоки как объекта управления; показана перспективность применения обратной связи для стабилизации положения мундштука подачи в процессе наплавки и при синтезе алгоритмов управления.
2. Выбран тип датчика, сформулированы требования к электроприводу, приведены характеристики устройств и разработана схема их соединения.
3. Выбран контроллер и разработана управляющая программа, реализующая релейный способ управления со ступенчатым изменением скорости движения рабочего органа (8 ступеней скорости).
4. Реализован алгоритм обработки сигнала с датчика на основе полинома пятой степени; предложен RC-фильтр сигнала.
5. Проведено исследование работы системы. Показано, что для улучшения показателей ее точности и для ее использования при печати малогабаритных стенок лучше использовать лазерный триангуляционный датчик с дискретностью измерения 0,0025-0,1 мм.
Библиографический список
1. Advanced technologies and materials. - 2020. -Vol. 45, no 2.
2. Fuchs J., Schneider C., Enzinger N. Wire-based Additive manufacturing using an electron beam as heat source // Welding in the World. - 2018. - Vol. 62. - P. 267-275.
3. Nasa [Электронный ресурс]. - URL: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/2008002 1301.pdf (дата обращения: 10.01.2023).
4. Karen M. Taminger. Electron beam freeform fabrication technology development for aerospace applications // Airbus Materials & Structures Workshop. April 6-7. - 2006.
5. Seufzer W.J., Taminger K.M. Control Methods for the Electron Beam Free Form Fabrication Process // Proceedings of the 18th International Solid freeform fabrication symposium. - Austin, Texas, 2007. - P. 13-21.
6. A review of slicing methods for directed energy deposition based additive manufacturing / J. Xu, X. Gu, D. Ding, Z. Pan, K. Chen // Rapid Prototyping Journal. -2018. - Vol. 24, no. 6. - P. 1012-1025. DOI: 10.1108/RPJ-10-2017-0196
7. A tool-path generation strategy for wire and arc additive manufacturing / Donghong Ding, Zengxi (Stephen) Pan, Dominic Cuiuri, Huijun Li // Int J Adv Manuf Technol. - 2014. - Vol. 73. - P. 173-183. DOI: 10.1007/s00170-014-5808-5
8. Cern [Электронный ресурс]. - URL: https://in-dico.cern. ch/event/776414/attachments/1809968/2955504/A M-LectureCERN_Weissgaerber_Handout.pdf (дата обращения: 10.01.2023).
9. Scott Stecker, Willow Springs, IL (US). Electron beam layer manufacturing. Pub. №.: US 2016/0288244A1. Pub date Oct.6, 2016.
10. Sciaky [Электронный ресурс]. - URL: https://www.sciaky.com/additive-manufacturing/electron-beam-
additive-manufacturing-technology (дата обращения: 10.01.2023).
11. Особенности формирования изделий методом электронно-лучевой наплавки / А.В. Гуденко, А.П. Слива, В.К. Драгунов, А.В. Щербаков // Сварочное производство. - 2018. - № 8. - С. 12-19.
12. Leithauser T., Woizeschke P. Influence of the Wire Feeding on the Wetting Process during Laser Brazing of Aluminum Alloys with Aluminum-Based Braze Material // J. Manuf. Mater. Process. - 2019. - No. 3. - P. 83. DOI: 10.3390/jmmp3040083
13. Obtaining uniform deposition with variable wire feeding direction during wire-feed additive manufacturing / Qianru Wu, Jiping Lu, Changmeng Liu, Xuezhi Shi, Qian Ma, Shuiyuan Tang, Hongli Fan, Shuyuan Ma // Materials and Manufacturing Processes. - 2017. DOI: 10.1080/10426914.2017.1364860
14. Advanced technical and technological solutions for additive manufacturing by xBeam 3D metal printing / D. Kovalchuk, V. Melnyk, I. Melnyk, B. Tugai // "Е+Е". -2018. - Vol. 53. - Р. 3-4.
15. Electron beam additive manufacturing with wire / W^glowski Marek St., Blacha Sylwester, Jachym Robert, Dutkiewicz Jan, Rogal Lukasz // «Е+Е». - 2018. - Vol. 53, iss. 3-4. - P. 74-78.
16. Контроль параметров процесса электроннолучевой наплавки с использованием сигналов токов проволоки и изделия / А.В. Щербаков, В.Н. Мартынов, И.А. Харитонов, Д.А. Гапонова, Р.В. Родякина, В.К. Драгунов // Электротехника. - 2018. - № 4. - С. 37-42.
17. Vannucci T.J. Investigating the Part Programming Process for Wire and Arc Additive Manufacturing // Dissertation on Master's level degree, Lulea University of Technology. - Sweden, 2019.
18. Petrov Peter, Georgiev Chavdar, Petrov Georgy. Experimental investigation of weld pool formation in electron beam welding // Vacuum. - 1998. - Vol. 51, iss. 3. -P. 339-343.
19. Adaptive Slicing Based on Efficient Profile Analysis / Mao Huachao, Kwok Tsz-Ho, Chen Yong, Wang Charlie C.L. // Computer-Aided Design. - 2018. - No. 9.
20. In-process thermal imaging of the electron beam freeform fabrication process / K.M. Taminger [et al.] // Proceedings of SPIE 9861. Thermosense: Thermal Infrared Applications XXXVIII, 986102. - Baltimore, Maryland, USA, 2016.
References
1. Advanced technologies and materials, 2020, vol. 45, no. 2 (2020).
2. Fuchs J., Schneider C., Enzinger N. Wire-based Additive manufacturing using an electron beam as heat source. Welding in the World, 2018, iss. 62, pp.267-275.
3. Nasa https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs. nasa.gov/20080021301.pdf (data avalable 10.01.2023)
4. Karen M. Taminger. Electron beam freeform fabrication technology development for aerospace applications. Airbus Materials & Structures Workshop. April 6-7, 2006.
5. Seufzer W.J., Taminger K.M. Control Methods for the Electron Beam Free Form Fabrication Process. Proceedings of the 18th International Solid freeform fabrication symposium, Austin, Texas, 2007, pp. 13-21.
6. Xu, J., Gu, X., Ding, D., Pan, Z. and Chen, K. (2018), "A review of slicing methods for directed energy deposition based additive manufacturing". Rapid Prototyping Journal, vol. 24, no. 6, pp. 1012-1025. https://doi.org/10.1108/RPJ-10-2017-0196
7. Donghong Ding, Zengxi (Stephen) Pan, Dominic Cuiuri, Huijun Li. A tool-path generation strategy for wire and arc additive manufacturing. Int. Journal Adv Manuf Technol, 2014, no. 73, pp. 73-183. DOI 10.1007/s00170-014-5808-5
8. Cern. /https://indico.cern.ch/event/776414/attach-ments/1809968/2955504/AM-LectureCERN_Weissgaerber_ Hand-out.pdf (data avalable 10.01.2023).
9. Scott Stecker, Willow Springs, IL (US). Electron beam layer manufacturing. Pub. №.: US 2016/0288244A1. Pub date Oct.6, 2016.
10. Sciaky. https://www.sciaky.com/additive-manufac-turing/electron-beam-additive-manufacturing-technology (data avalable 10.01.2023)
11. Gudenko A.V., Sliva A.P., Dragunov V.K., Shcherbakov A.V. Osobennosti formirovaniia izdelii metodom elektronno-luchevoi naplavki [Peculiarities of product formation by electron beam cladding method]. Svarochnoeproizvodstvo, 2018, no. 8, pp. 12-19.
12. Leithauser T., Woizeschke P. Influence of the Wire Feeding on the Wetting Process during Laser Brazing of Aluminum Alloys with Aluminum-Based Braze Material. J. Manuf. Mater. Process., 2019, iss. 3, p. 83; doi: 10.3390/jmmp3040083
13. Qianru Wu, Jiping Lu, Changmeng Liu, Xuezhi Shi, Qian Ma, Shuiyuan Tang, Hongli Fan & Shuyuan Ma (2017): Obtaining uniform deposition with variable wire feeding direction during wire-feed additive manufacturing. Materials and Manufac-turingProcesses. DOI: 10.1080/10426914.2017.1364860
14. Kovalchuk D., Melnyk V., Melnyk I., Tugai B. Advanced technical and technological solutions for additive manufacturing by xBeam 3D metal printing. "Е+Е", 2018, vol. 53, pp. 3-4.
15. W^glowski Marek St., Blacha Sylwester, Jachym Robert, Dutkiewicz Jan, Rogal Lukasz. Electron beam additive manufacturing with wire. «Е+Е», 2018, vol. 53, iss. 3-4, pp. 74-78.
16. Shcherbakov A.V., Martynov V.N., Kharitonov I.A., Gaponova D.A., Rodiakina R.V., Dragunov V.K. Kontrol' parametrov protsessa elektronno-luchevoi naplavki s ispol'zo-vaniem signalov tokov provoloki i izdeliia [Control of electron beam cladding process parameters using wire and product current signals]. Elektrotekhnika, 2018, no. 4, pp. 37-42.
17. Vannucci T.J. Investigating the Part Programming Process for Wire and Arc Additive Manufacturing. Dissertation on Master's level degree, Lulea University of Technology, Sweden, 2019.
18. Petrov Peter, Georgiev Chavdar, Petrov Georgy. Experimental investigation of weld pool formation in electron beam welding. Vacuum, 1998, vol. 51, iss. 3, pp. 339-343.
19. Mao Huachao, Kwok Tsz-Ho, Chen Yong, Wang Charlie C.L. Adaptive Slicing Based on Efficient Profile Analysis. Computer-Aided Design, 2018, no. 9.
20. Taminger K.M. et al. In-process thermal imaging of the electron beam freeform fabrication process. Proceedings of SPIE 9861. Thermosense: Thermal Infrared Applications XXXVIII, 986102. - Baltimore, Maryland, USA, 2016.
Поступила: 18.08.2023
Одобрена: 30.08.2023
Принята к публикации: 01.09.2023
Об авторах
Щербаков Алексей Владимирович (Москва, Российская Федерация) - доктор технических наук, профессор кафедры Электроснабжения промышленных предприятий и электротехнологий НИУ «МЭИ» (Российская Федерация, г. Москва, Красноказарменная ул., 14, e-mail: ShcherbakovAV@mpei.ru).
Кожеченко Алексей Сергеевич (Москва, Россия) -старший преподаватель кафедры Электроснабжения промышленных предприятий и электротехнологий НИУ «МЭИ» (Российская Федерация, г. Москва, Красноказарменная ул., 14, e-mail: KozhechenkoAS@mpei.ru).
Родякина Регина Владимировна (Москва, Российская Федерация) - доцент, доцент кафедры Технологии металлов НИУ «МЭИ» (Российская Федерация, г. Москва, Красноказарменная ул., 14, e-mail: RodiakinaRV@mpei.ru).
Гончаров Алексей Леонидович (Москва, Российская Федерация) - доцент, заведующий кафедрой Технологии металлов НИУ «МЭИ» (Российская Федерация, г. Москва, Красноказарменная ул., 14, e-mail: GoncharovAL@mpei.ru).
Ластовиря Вячеслав Николаевич (Москва, Российская Федерация) - профессор, профессор кафедры «Оборудование и технологии сварочного производства» Московского политехнического университета (Российская Федерация, г. Москва, Большая Семеновская ул., 38, e-mail: slava.lastovirya@gmail.com).
About the authors
Alexey V. Shcherbakov (Moscow, Russian Federation) -Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Power Supply of Industrial Enterprises and Electrical Technologies of National Research University "MPEI" (14, Krasno-kazarmennaya str., Moscow, e-mail: ShcherbakovAV@mpei.ru).
Alexey S. Kozhechenko (Moscow, Russian Federation) -Senior Lecturer of the Department of Power Supply of Industrial Enterprises and Electrical Technologies, National Research University "MEI" (14, Krasnokazarmennaya str., Moscow, e-mail: KozhechenkoAS@mpei.ru).
Regina V. Rodyakina (Moscow, Russian Federation) -Associate Professor, Associate Professor of Metals Technology Department of National Research University "MPEI" (14, Krasnokazarmennaya str., Moscow, e-mail: RodiakinaRV@mpei.ru).
Alexey L. Goncharov (Moscow, Russian Federation) -Associate Professor, Head of Metals Technology Departmentof National Research University "MPEI" (14, Krasnokazarmennaya str., Moscow, e-mail: GoncharovAL@mpei.ru).
Vyacheslav N. Lastovirya (Moscow, Russian Federation) - Professor, Professor of "Equipment and Technologies of Welding Production" Department of Moscow Polytechnic University (38, Bolshaya Semenovskaya str., Moscow, e-mail: slava.lastovirya@gmail.com).
Финансирование. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Государственного задания № FSWF-2023-0016 (Соглашение № 075-03-2023-383 от 18 января 2023 г.) в сфере научной деятельности на 2023-2025 гг.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Вклад всех авторов равноценен.
