Разработка системы управления процессом наплавки рабочего слоя плоскостных деталей с идентификатором в цепи обратной связи Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Cae A.B., Левашов A.C.

РГУНГ им. И.М. Губкина, г.Москва

Макаров В. В.

ОАО "Икар", г.Курган

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ НАПЛАВКИ РАБОЧЕГО СЛОЯ ПЛОСКОСТНЫХ ДЕТАЛЕЙ С ИДЕНТИФИКАТОРОМ В ЦЕПИ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

В статье проведен анализ формирования оптимальной структуры установки для наплавки плоскостных деталей и представлена разработанная система управления с идентификатором в цепи обратной связи для технологического процесса наплавки на плоскостные детали рабочего слоя с регламентированным распределением свойств.

Широко известно, что сегодня создание нового эффективного объекта или новой технологии невозможно без системного подхода, предусматривающего анализ задач и синтез решений на всех этапах их разработки и реализации. Системный подход для создания новых объектов многократно применялся при разработке реальных установок, автоматизированных линий и систем [1].

Данная статья посвящена анализу технологического процесса и разработке системы управления установкой для наплавки плоскостных деталей, а также синтезу решений при создании специализированной установки.

Цель создания установки - реализация эффективного метода восстановления геометрических размеров и обеспечение требуемых свойств деталей.

При такой постановке решение проблемы создания нового объекта целесообразно представить в виде трех взаимосвязанных этапов.

Этап 1. Формирование общего желаемого (видимого) представления о создаваемом объекте, о его потребности (функции); структуризация проблемы создания объекта.

Этап 2. Декомпозиция (анализ) задачи создания объекта - разделение её на части, образуемые относительно независимыми признаками (свойствами) объекта, с указанием множества альтернатив реализации этих признаков.

Этап 3. Синтез решений как "свертка" поискового пространства, образованного декомпозиционной схемой задачи создания объекта, полученной на этапе 2.

Пример декомпозиционной схемы анализа задачи формирования структуры установки представлен в таблице 1.

Таблица

Декомпозиционная схема анализа задачи формирования структуры доставки

1-й уровень 2-й уровень декомпозиции

декомпозиции X/

Xi1 Плоскостные детали

Xi Объект обработки Xi2 Детали трения

Xi3 Тело вращения

Хю Количество Хю1 Один

одновременно XlQ2 Два электрода разного химсостава

используемых

электродов

Эффективное решение X* по структуре установки определяется паретовским множеством наиболее предпочтительных альтернатив [1] при "мягкой" конкуренции всех ранее выбранных целевых условий.

V* — Г V 1 у 2 у 2 у 2 V 1 уз у 2 у 2 VI V 11 Л - \ Л1 . > Лз > > Л4 > Л5 > Л7 > Л8 > Л9 > Л10 /'

Результат выполненного синтеза представлен ниже в виде текста описания структуры установки для наплавки. Специализированная установка предназначается для наплавки под флюсом плоскостных деталей, производство имеет серийный характер, управление установкой обеспечивает децентрализованная система управления. Обеспечивается установка деталей на две позиции, автоматическая подача и отсос флюса. Наплавка осуществляется двумя одновременно подаваемыми электродами разного химсостава. Подъем и опускание сварочной головки, а так же перемещение горелки осуществляется от электроприводов. Привод вращения планшайбы имеет асинхронный двигатель. Наплавка осуществляется электродной проволокой диаметром 4 мм.

Качество процесса наплавки рабочего слоя детали можно определять по отклонению реального химсостава наплавленного слоя от требуемого [2]. Наиболее просто компенсация отклонения может быть реализована путем регулирования соотношения скоростей подачи электродных или присадочных материалов разного химсостава при сохранении постоянства суммарной массовой скорости их подачи [3].

В ходе исследований [4] установлено, что скорость изменения (градиент) химического состава наплавленного металла зависит от объемной скорости СО плавления подаваемых в сварочную ванну материалов, от объема и сварочной ванны, а также от разности концентраций регулируемого компонента химсостава в сварочной ванне и в поступающем материале (электродном, присадочном и основном).

Инерционность процесса изменения химсостава, учитывая большие объемы сварочной ванны, велика. Особенно заметное расхождение между реальным и требуемым составами возникает при необходимости реализации скачкообразного изменения состава [2]. В этом случае минимальная длина переходного участка 1п (до момента достижения требуемого состава ванны) обеспечивается при подаче электродного материала с максимально возможной концентрацией регулируемого компонента в течении времени:

f,,,, =

ГА

^пИРПЭК СВо^)/(Спэк Ст )]

(1)

где Ун - скорость наплавки;

поперечное сечение шва (о =

Спэк - экстремальная концентрация компонента в поступающем материале;

СВоСш - концентрация элементов в ванне до

и после легирования (начальная и конечная). Инерционность привода подачи электродных материалов значительно меньше буферной инерционности ванны. После достижения требуемой концентрации ванны концентрация элемента в подаваемых материалах может быть быстро снижена до необходимого уровня путем регулирования соотношения скоростей подачи электродов. Однако, даже в случае достижения минимальной длины переходного участка 1 —(Рис- 1)> из~

46

ВЕСТНИК КГУ, 2005. №2.

за сложной формы фронта кристаллизации химический состав становится однородным по глубине через расстояние, равное длине хвостовой части ванны.

Рис. 1. Геометрическая модель сварочной ванны при наплавке с изменением состава наплавленного металла

Химсостав сварочной ванны зависит от химсостава поступающего в нее основного и электродного материалов, а также от перехода элементов из флюса. Поэтому для формирования закона изменения подачи электродов необходимо знать закон изменения химсостава основного металла, а также координатную привязку поступления в ванну основного и электродного металлов.

Доля основного металла будет зависеть от перекрытия направляемых валиков по глубине Уи\=^и / и по

/Я,

ширине ув;=Ву;/В;.

Требуемый закон распределения химсостава наплавленного металла, а значит, и программа подачи электродного металла задается служебными характеристиками изделия. Однако вследствие того, что в реальных условиях параметры процесса не остаются постоянными, обеспечить требуемое распределение свойств только за счет программного регулирования невозможно. В процессе наплавки возникают возмущения по току сварки 1с, напряжению на дуге и, по скорости наплавки \/н и соотношению скоростей подачи электродов п. Это приводит к изменению длины 1_в и ширины В сварочной ванны, а значит, к изменению ее объема, массы Р и буферной инертности Т. Поэтому возникает необходимость коррекции регулирующего воздействия относительно программных значений. Такая коррекция может быть осуществлена по математическим моделям, связывающим параметры режима с параметрами сварочной ванны [5]. Для построения моделей параметры режима варьировались на пяти уровнях в диапазонах:

■ по току - от 600 А (1-й уровень) до 800 А (5-й уровень) с шагом 50 А;

■ напряжению дуги - 28-36 В, шаг 2В;

■ скорости наплавки - 0,68-1,15 см/с, шаг 0,12 см/с;

■ соотношению скоростей - 50-100%, шаг 12,5%. Наплавку проводили на пластины из стали СтЗ с

размерами 25x100x250 мм под флюсом АН-60 двумя проволоками Св-08А 0 4 мм.

Регрессионные уравнения зависимостей длины 1_в и ширины В сварочной ванны, массы Р, буферной инертности Т от параметров сварочной ванны были получены путем статистической обработки результатов экспериментов.

С точки зрения автоматизации, технологический процесс наплавки на плоскостные детали рабочего слоя с регламентированным распределением свойств относится к сложным процессам. Его реализация требует как изменения регулирующих параметров, так и их коррекцию при действии различных возмущений. Структурная схема системы управления процессом наплавки изображена на рис.2. В программном блоке по измеренным координатам Х3(х,у) определяются: концентрация легирующего элемента в основном металле; требуемая концентрация легирующего элемента в наплавленном металле. В том случае, когда С^ равна величине концентрации Сн • определенной в идентификаторе объекта, изменения соотношения л и скорости подачи У1 и Уп электродов производить не нужно. При этом п = п Сн . Идентификация выполняет-

ся в два этапа. Вначале по^измеренным значениям параметров режима с-,иг,¥н) и управляющих переменных Хп(11й,17 пП идентифицируются технологические параметры сварочной ванны: ее длина £ , ширина в и буферная инерционность т . Знание параметров ванны (в совокупности с координатами Хъ, кодом участка и ) позволяет найти и значение . В случае, когда разность между £ н и С^ невелика

том

тр

и требуемая концентрация легирующего элемента С в подаваемом материале не превышает экстремально допустимую С"г, С"р обеспечивается при конкретном

соотношении скоростей подачи электродов. В случае же, тР ■ -же подача легирующих элементов ведет-

когда >- С"

СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 1

ся на экстремальном уровне (максимальном при п = \ и минимальном при п = 0), т.е. подается только один из электродов, но при сохранении постоянной суммарной массовой скорости V .

Максимальная разность между С^ и Сг появляется тогда, когда необходимо получить ступенчатый характер изменения свойств наплавленных участков. При этом требуемые значения свойств будут достигаться на каждом из участков со сдвигом, равным длине переходного участка / = УН1ПП. Этот сдвиг может быть учтен

при координатной привязке закона изменения С

Разработанная система управления позволяет создать рабочий слой с требуемыми служебными характеристиками. Для этого в процессе наплавки необходимо обеспечить регламентируемое распределение свойств рабочего слоя детали как по глубине, так и по его поверхности. Такого распределения свойств удается достичь

47

при соблюдении требуемого закона изменения химсостава наплавленного металла. Поэтому показателем качества процесса наплавки рабочего слоя детали может

служить величина отклонения химсостава наплавленного металла от требуемого закона по глубине и координатам поверхности.

* +

_J_L

I

±

4

I

Г

I,

<£3

\ Е ) О

си щ—ч. о ас U о»

<о ч

U) CS»

V— Oi

цЛ,

о с:

¿О

нн i

о * а - ^ > Q V* 5

Э "Э! 5 ^__

? »S-

J^ss а?

~1

О) Л СО

о

0

1

* X

Рис.2. Структурная схема системы управления процессом наплавки рабочего слоя валков с регламентированным

распределением свойств

Список литературы

1. Пухов А. С. Синтез решений при создании автоматизированных объектов: Учебное пособие. - Курган: Курганский гос. ун-т, 2000. - 123 с.

2. Сас А.В., Гулаков С.В., Носовский Б.И. Управление сложными технологическими процессами дуговой сварки и наплавки //Сварочное производ-

ство. -1985. -№8. -С.30-32.

3. А.С. 507420 СССР, МКИ В23К 9/00 Способ получения сплава заданного химсостава /И.М. Новожилов, А.А. Астафьев, А.В. Чиркин и др. //Б.И. -

1976.

4. Гулаков С.В., Новосовский Б.И. Особенности получения швов с регламентированным распределением химических элементов //Сварочное

производство. -1982. -№7. -С.10-11.

5. Гулаков С.В. Исследование и разработка технологии и оборудования для наплавки рабочего слоя прокатных валков с регламентированным

распределением свойств : Дисс.... канд. тех. наук. -Жданов, 1982. -185с.

48

ВЕСТНИК КГУ, 2005. №2.