Материал: Управление электронно-лучевой сваркой

Количественное значение квадратичного интегрального крите­ рия (5.18) является оценкой соответствия зондовой характеристики нормальному закону распределения и может быть использовано при диагностике состояния электронно-лучевой пушки.

5.2. Способы фокусировки электронного пучка

Фокусировка электронного пучка - это совмещение фокальной плоскости с поверхностью обрабатываемого изделия за счет регули­ ровки тока фокусирующей линзы. При фокусировке достигается мини­ мальный диаметр электронного пучка на поверхности обрабатываемого изделия. Технологическая операция фокусировки проводится перед сваркой на малом токе электронного пучка. Если расстояние до обра­ батываемой поверхности в процессе сварки не изменяется, то дополни­ тельная подфокусировка не требуется. Повышение точности фокуси­ ровки достигается за счет применения устройств контроля острого фокуса.

Один из способов контроля острой фокусировки по методу син­ хронного детектирования заключается в контроле амплитуды второй гармоники на выходе вторично-эмиссионного или рентгеновского дат­ чика стыка либо рентгеновского коллимированного датчика (рис. 2.15). Максимальное значение второй гармоники соответствует минимально­ му диаметру пучка на поверхности обрабатываемого изделия. Следует заметить, что значение минимального диаметра пучка при этом не контролируется. Фокусировку пучка в этом случае осуществляет опе­ ратор.

Для автоматизации процесса фокусировки можно использовать гармонические составляющие Ьтп (рис. 2.14) с частотами 2©i ± ю2, где Ш! - частота сканирования пучка поперек стыка или проекции колли­ мированного датчика, а со2- частота сканирования по фокусу.

Функциональная схема системы автоматической фокусировки электронного пучка изображена на рис. 5.3.

В системе автоматической фокусировки может использоваться или вторично-эмиссионный датчик положения стыка свариваемого изделия, или рентгеновский коллимированный датчик, во втором слу­ чае стык не требуется. С помощью генератора (2©i) и делителя частоты на два осуществляется сканирование стыка с частотой G)J. От генерато­ ра о)2 вводится гармоническая составляющая в ток фокусирующей сис­ темы, и диаметр пучка начинает колебаться с частотой со2. В выходном сигнале вторично-эмиссионного или рентгеновского датчика появля­ ются гармонические составляющие с частотами 2©! ± ©2.

ходе демодулятора могут быть описаны эквивалентным фильтром нижних частот в соответствии с выражением (2.31). Кроме того, они вносят дополнительное отставание по фазе. Обеспечение устойчивости замкнутой системы управления не вызывает затруднений, так как тре­ буемые запасы устойчивости могут быть получены соответствующим выбором общего коэффициента усиления жонтура.

Рассмотренная система автоматической фокусировки работает при малом токе пучка и может быть использована для его предвари­ тельной фокусировки или записи программы тока фокуса в том случае, когда расстояние от пушки до свариваемого изделия изменяется в про­ цессе сварки. Для фокусировки на рабочем токе пучка целесообразнее использовать рассмотренное в предыдущем разделе устройство кон­ троля диаметра пучка, работающее как при малом, так и при большом токе электронного пучка. В этом случае положение фокуса можно по­ лучить, добиваясь минимального значения диаметра пучка. Этот метод рассмотрен в разд. 5.3.

5.3. Вопросы технической реализации системы

Для стабилизации плотности распределения энергии по сечению электронного пучка в процессе электронно-лучевой сварки должны быть решены следующие задачи:

-фокусировка электронного пучка на поверхности обрабаты­ ваемого изделия;

-контроль и стабилизация диаметра сфокусированного элек­ тронного пучка в процессе сварки;

-задание требуемого положения фокуса относительно поверх­ ности обрабатываемого изделия.

Выполнение указанных приемов с необходимой точностью обеспечивает требуемую стабилизацию распределения энергии по се­ чению пучка относительно зоны обработки, а следовательно, и воспро­ изводимость геометрии сварного шва. Такой подход ранее не реализо­ вывался из-за отсутствия датчика диаметра пучка, работающего в про­ цессе сварки.

Основой системы является рассмотренное в предыдущем разде­ ле измерительное устройство с рентгеновским датчиком плотности распределения энергии по сечению электронного пучка. В качестве метода выделения сигнала используется метод синхронного накопле­ ния, реализуемый программой работы на микроЭВМ. Применение вычислительной техники позволяет уменьшить число аппаратных средств, реализовать многие функции системы программным путем,

что в целом повышает надежность системы. Сравнение различных вариантов реализации системы позволило сделать вывод о целесооб­ разности следующего распределения функций между программными и аппаратными средствами. Формирование траектории сканирования, усиление сигнала рентгеновского датчика, преобразование его в циф­ ровой код, запоминание зондовой характеристики, управление эмисси­ онной системой пушки осуществляется аппаратными средствами, реа­ лизация алгоритма обработки информации, расчет эффективного диа­ метра пучка, его индикация, расчет требуемого управляющего воздей­ ствия и величины расфокусировки - программными средствами.

Функциональная схема системы представлена на рис. 5.4 и 5.5. Система состоит из трех основных блоков: блока выброса пучка, изме­ рительного блока, блока коррекции и индикации. Управляет работой системы универсальный программируемый контроллер (КПУ). КПУ связан с внешними устройствами через шесть портов (А, В, С, Аь Вь Ci), входящих в состав контроллера, а также через внутреннюю шину данных (ШД), шину адреса (ША) и шину управления (ШУ). Блок вы­ броса пучка и измерительный блок изображены на рис. 5.5.

Блок выброса пучка (БВП) осуществляет вывод пучка из свароч­ ной ванны, пересечение пучком зоны обзора коллимированного рент­ геновского датчика в прямом и обратном направлении, а также фоку­ сировку пучка на поверхности обрабатываемой детали на время выбро­ са пучка. Развертка пучка производится цифровым генератором по 512 точкам. Генератор тактовых импульсов (ГТИ) через счетчик (СЧО выставляет на адресный вход постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) последовательность адресов ячеек памяти, в которых записаны координаты траектории сканирования пучка. Последовательность ко­ довых комбинаций с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) преобразуется в аналоговый сигнал, который через усилитель мощности (УМ) поступает в отклоняющую систему (ОС), осуществ­ ляющую требуемое перемещение пучка.

Фокусировка пучка на поверхности обрабатываемого изделия на время выброса пучка осуществляется путем снятия уставки расфокуси­ ровки, поступающей в динамическую фокусирующую систему (ФСД) с порта А КПУ через ЦАП и усилитель мощности. При этом за счет ос­ новной фокусирующей системы осуществляется фокусировка пучка на поверхности обрабатываемого изделия. Блок выброса пучка запускает­ ся с помощью сигнала ЗАП, вырабатываемого контроллером по коман­ де с генератора синхронизации сети (ГСС). Таким образом, выброс пучка синхронизируется с фазой питающей сети для предотвращения влияния пульсаций тока пучка. Останавливается БВЛ сигналом «Стоп»,

который организуется счетчиком (СЧО после выборки всех адресов в ПЗУ.

В измерительном блоке осуществляется преобразование сигнала коллимированного рентгеновского датчика в цифровой код с помощью АЦП и запоминание его в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) блока. Аналоговый сигнал датчика попадает в АЦП через схему автоматической регулировки усиления (АРУ). Схема АРУ предназна­ чена для компенсации постоянной составляющей и стабилизации ам­ плитуды выходного сигнала при изменении тока пучка и его диаметра.

т г

S,

&- сч,

СИ,

Рис. 5.4. Функциональная схема системы контроля и стабилизации плотности распределения энергии по сечению луча