Совершенствование системы управления технологическим комплексом закалки на базе кольцевого плазмотрона

На современном этапе научно-технического прогресса требования к прочностным характеристикам конструкционных материалов возрастают. При этом применяют различные виды технологий. Это лазерная, плазменная, токами высокой частоты и др. Каждый из этих видов технологий обладает своими достоинствами и недостатками /1,4/. Важной проблемой в автомобилестроении является поверхностное упрочнение деталей типа цилиндр, в частности гильза блока цилиндров. Она не последнюю роль играет в обеспечении требуемого ресурса автомобиля. Низкотемпературная плазма находит широкое применение в процессах сварки, закалки и резки металлов, нанесения покрытий из порошков тугоплавких и термостойких материалов. В последние годы области применения плазмы значительно расширились: она используется в металлургии, для выращивания сверхчистых монокристаллов тугоплавких материалов, в химическом синтезе, в процессах очистки и в ряде других технологических процессах производства /1/.

Существующие методы и оборудование, которыми располагает производство, в целом ряде случаев не позволяют осуществлять высокопроизводительную и качественную обработку заготовок. В связи с этим на производствах наряду с другими методами, развивается направление по повышению эффективности процесса плазменной и лазерной обработок. Это достигается за счет комбинирования различных вариантов технического решения плазменных и лазерных технологических комплексов /5/. Однако проведенные патентно-информационные исследования в этой области показали недостаточный уровень разработок систем автоматического управления плазмотронов, что не отвечает современным требованиям /2,3/.

Также активно ведутся работы по увеличению мощности плазмотронов, различных типов конструкций, в частности кольцевого типа, и разработок систем автоматизированного управления /6,7/. Современные плазмотроны на данный момент уже применяются как самостоятельные технологические комплексы. Однако при всех режимах обработки требуется довольно точно выдерживать заданные параметры технологического процесса. К таким параметрам относятся величина рабочего тока дуги и скорость перемещения плазмотрона температуру в зоне обработки и др. Эти параметры в конечном итоге оказывают влияние на качество технологического процесса.

Кроме того, так как сила тока рабочей дуги достигает 400.800 ампер, то катод плазмотрона довольно быстро изнашивается (5. .15 часов). По мере износа катода плазмотрона резко повышается расход электроэнергии, которая тратится на возбуждение и поддержание стабильности дуги /8/.

Как показывают исследования в этой области, перспективность разработок связана с контролем параметров плазмотрона и поддержанием их в ходе технологического процесса плазменной обработки. На сегодняшний день производители плазменных технологических комплексов обеспечивают рынок сбыта промышленного оборудования без учета особенностей его эксплуатации и требований к качеству выполняемых технологических операций. Все это приводит к стандартным наборам блоков комплекса и методам их объединения в систему, что сказывается на экономических и технических характеристиках. Однако условия эксплуатации, рыночные отношения между производителем и потребителем, а также возрастающая конкуренция на рынке сбыта продукции требует иного подхода к разработке плазмотронных технологических комплексов, направленных на достижение наибольшей экономической эффективности производства.

Решение этой задачи заключается в оптимальном выборе звеньев плазменного технологического комплекса, направленном на выполнение требуемого технологического процесса и оптимизации параметров звеньев технологического комплекса для обеспечения заданных показателей качества технологической операции, где в качестве критерия оптимальности выступает его эффективность.

Наиболее перспективным направлением совершенствования плазменного технологического комплекса является комплексный подход. Он включает создание системы автоматизированного проектирования технологии плазменной обработки, синтез системы автоматического управления технологического комплекса с обратными связями по параметрам процессов в зоне взаимодействия плазмы с металлами и разработку новых методов обработки информативных параметров, позволяющих создание баз данных с целью оптимизации структуры плазмотронного технологического комплекса.

В настоящее время оптико-физические методы исследования используются практически во всех направлениях науки и техники, так как они являются неразрушающими, бесконтактными и надежно работают в автоматизированных системах, в том числе они незаменимы для создания систем автоматического управления плазмотронными технологическими комплексами.

Оптико-физический метод исследования по существу является физическим экспериментом, в котором в качестве носителя информации используется электромагнитное поле оптического диапазона частот, в случае плазменной обработки электромагнитное поле теплового излучения из зоны взаимодействия высококонцентрированного источника энергии с металлом. Получение сведений об исследуемом объекте или явлении происходит в процессе обработки результатов измерений. Результатом измерения в оптико-физических методах являются параметры оптического сигнала, т. е. изменение параметров электромагнитного поля (амплитуды, частоты, фазы, типа и вида поляризации и т. д.).

Поляризационное излучение характеризует свойства материалов (температура, шероховатость, химический состав и т. д.). Общим свойством векторных волн является поляризация вектора напряженности электрического поля, ориентация которого подчиняется определенным законам, зависящим как от источника, так и от среды, в которой распространяется волна.

При описании частично поляризованного света важную роль играет степень поляризации, которая определяется как отношение интенсивности полностью поляризованной компоненты к общей интенсивности волны.

Использование многоплощадочного фотоприемника с поляризационной фильтрацией излучения определяет способ измерения степени поляризации и обеспечивает достаточное быстродействие для своевременной реакции на изменения параметров ПТК, что особенно важно в системах автоматического управления. В работе рассматривается три метода измерения степени поляризации: по четырем, трем и двум замерам интенсивностей излучения, которые определяют параметры вектора Стокса теплового излучения металла и позволяют производить расчет температуры зоны нагрева металла с более высокой точностью.

Вместе с тем в настоящее время в литературе отсутствует информация о попытках применения методов оптимизации решения поставленной задачи, об алгоритмах управления и их особенностях.

Данная работа посвящена оптимизации параметров звеньев плазменного технологического комплекса и его структуры для повышения эффективности на примере плазменной закалки деталей цилиндрической формы.

Основной целью работы является повышение показателей качества процесса закалки деталей цилиндрической формы за счет совершенствования системы автоматического управления плазменного технологического комплекса.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие научные задачи:

1. Определены факторы, вносящие основной вклад в получение заданных показателей качества технологического процесса плазменной закалки на основе проведенных металлографических исследований образцов деталей.

2. Исследованы тепловые процессы, происходящие в зоне взаимодействия плазмы с металлом, с целью определения влияния параметров тепловых процессов в металле на показатели качества закалки.

3. Установлены физические связи параметров тепловых процессов в поверхностном слое металла с технологическими параметрами закалки на основе результатов экспериментальных исследований и математического моделирования.

4. Разработана система управления процессом закалки на основе информативного параметра из зоны взаимодействия плазмы с металлом, измеряемого в режиме реального времени.

5. Разработан кольцевой плазмотрон с регулируемыми выходными параметрами для автоматизированной обработки деталей цилиндрической формы и исследованы его характеристики.

Положения, выносимые на защиту и обладающие научной новизной:

— способ определения температуры в зоне взаимодействия плазмы с металлом, заключающийся в измерении степени интенсивности излучения, отличающийся от известных тем, что применена спектрально-поляризационная фильтрация теплового излучения металла с целью понижения погрешности измерения, и позволяющая стабилизировать процесс закалки деталей;

— математическая модель плазмотрона, основанная на взаимосвязи между его геометрическими и энергетическими параметрами, позволяющая рассчитывать выходные параметры плазмы;

— методика расчета зависимостей показателей качества технологического процесса закалки от параметров плазменного комплекса на основе математической модели для повышения эффективности плазменной обработки деталей;

— структура системы управления плазменным технологическим комплексом на основе микроэвм, с регулируемыми выходными параметрами для 9 автоматизированной обработки деталей, позволяющая путем параметрической стабилизации процесса повысить точность формирования управляющих воздействий.

Практическая полезность работы: -предложенные алгоритмы и программное обеспечение позволяют сделать выбор оптимальных параметров звеньев системы управления для заданного технологического процесса с заданными показателями качества;

— разработанный кольцевой плазмотрон для обработки деталей цилиндрической формы имеет характеристики, качественно превышающие известные значения;

— предложенная система управления плазменного технологического комплекса, позволяет: а) стабилизировать процесс закалки деталейб) повысить эффективность плазменной обработки деталей цилиндрической формы.

Выражаю благодарность научному руководителю, д.т.н., профессору Исрафилову И. Х. и научному консультанту, к.т.н., доценту Звездину В. В. за неоценимую помощь оказанную при работе над диссертацией.

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Разработан и исследован кольцевой плазматрон с регулируемыми выходными параметрами для автоматизированной обработки деталей цилиндрической формы, отличающийся от известных формой электродов, позволяющих создавать большой объем плазмы, и возможностью регулировки межэлектродного зазора.

2. Предложен способ измерения температуры, на основе исследованных тепловых процессов, происходящих в зоне взаимодействия плазмы с металлом и установленных физических связей параметров тепловых процессов в поверхностном слое металла с технологическими параметрами закалки. Применение способа позволяет понизить погрешность измерения температуры в зоне взаимодействия плазмы с металлом до 3% за счет применения спектрально — поляризационной фильтрации теплового излучения и стабилизировать процесс закалки деталей.

3. Разработана математическая модель плазмотрона, которая позволяет рассчитать выходные параметры плазмы, и отличается более широким исследованием дуги, достоверность модели подтверждается экспериментальными данными с точностью до 90%,.

4. Разработана система управления плазменным технологическим комплексом, с регулируемыми выходными параметрами, позволяющая путем параметрической стабилизации процесса повысить точность формирования управляющих воздействий и показатели качества процесса закалки деталей цилиндрической формы, разброс значений параметров которых не превышает 10%.

5. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение, позволяющие рассчитывать требуемые значения параметров звеньев плазменного технологического комплекса при закалке деталей цилиндрической формы с заданными показателями качества.

Заключение

.

Результат исследований взаимосвязи между параметрами отдельных звеньев ПТК с показателями качества ТП, показывает многообразие оптимальных критериев оценки эффективности САУ, зависящих от типа ТП и требований к показателям качества готовой продукции. Повышение эффективности САУ является следствием решения оптимизационной задачи по выбору параметров звеньев. Данная проблема является актуальной для широкого внедрения плазменных технологий в производство.

В проектировании ПТК, основанном на использовании базы данных наличия узлов и блоков, встраиваемых в систему, обеспечивается оптимальный выбор звеньев, решающих заданные задачи ТП при определенной себестоимости т. е. максимальной прибыли.

Материалы диссертации обсуждались на научных конференциях в КамПИ, на КамАЗе. Достоверность и практическую полезность проведенных исследований доказывают полученные результаты экспериментов, внедрение их на предприятии Государственный институт прикладной оптики (ГИПО) г. Казань и в учебный процесс.