Рис. 7.5. Функциональная схема устройства автоматической фокусировки и позиционирования пучка по стыку на боковой частоте 2(0\ + ©2
Для большинства свариваемых изделий автоматическая фокуси ровка электронного пучка требуется только на стадии предварительных операций наведения электронного пучка на стык при малом токе. По этому усложнение устройства с целью записи программы фокуса не всегда оправдано. Кроме того, имеется еще более радикальный вариант фокусировки пучка за счет реализации описанного ранее способа кон троля геометрических параметров электронного пучка.
Рассмотренный ранее метод синхронного детектирования пред полагает использование первой гармоники сигнала датчика вторичной эмиссии. Недостатком указанного способа является наводка на цепи датчика от тока сканирования и магнитного поля отклоняющей систе мы, имеющих ту же частоту. Поэтому проводка цепей датчика и откло-
няющей системы должна осуществляться в различных кабелях при условии их экранировки. Могут быть использованы и различные спо собы компенсации указанной помехи.
Практика использования систем слежения по стыку показала, что существенное влияние на их работоспособность оказывают при хватки. При движении над прихваткой чувствительность датчика к стыку резко снижается, а уровень помех может возрасти, особенно в тех случаях, когда прихватка не обработана механически и имеет не ровности. В этом случае система слежения теряет стык. Поэтому она должна иметь элементы адаптации к таким помехам, как прихватка. Аналогичное влияние оказывают пережатие стыка, когда зазор в стыке становится значительно меньше диаметра пучка. В этом случае чувст вительность измерительного устройства меняется в зависимости от отношения величины зазора в стыке к диаметру пучка. На прихватке чувствительность падает до нуля. Одним из эффективных методов устранения сбоев при движении над прихватками является блокировка устройства при низкой чувствительности [11]. Когда амплитуда второй гармоники падает ниже порогового уровня, ключ, управляемый от компаратора, размыкает цепь управления и вход интегратора соединяет с нулем. Отклонение пучка при этом сохраняется прежним. После про хождения прихватки прерванная обратная связь в системе возобновля ется.
Микропроцессорные средства позволяют выполнять различные вычислительные и логические функции, запоминание и обработку ин формации, поэтому логично использовать их в системах слежения по стыку. Поэтому была разработана микропроцессорная система слеже ния по стыку и фокусировки электронного пучка [103; 110]. Функцио нальная схема системы представлена на рис. 7.6. Система состоит из трех основных каналов: фокусировки пучка и анализа чувствительно сти; позиционирования пучка по стыку; измерения и компенсации влияния магнитного поля с феррозондовым датчиком.
Контроль положения стыка в рассматриваемой системе реализо ван по методу синхронного детектирования с выделением информации на первой гармонике частоты сканирования пучка. Для этого задаю щим генератором формируется синусоидальное напряжение сканиро вания стыка пучком частотой 4 кГц и опорное напряжение (меандр той же частоты) демодулятора ДМ|. Задающий генератор ЗГi представляет собственно генератор с кварцевой стабилизацией частоты 96 кГц и делителей частоты для формирования:
-сканирования стыка пучком (4 кГц);
-опорного сигнала ДМ! (4 кГц);
-опорного сигнала ДМ2 (8 кГц);
-возбуждения феррозонда (24 кГц);
-опорного сигнала ДМ3 (48 кГц).
Опорные сигналы имеют форму меандра, остальные - синусои дальную форму.
Канал позиционирования пучка по стыку состоит из коллектора вторичных электронов КВЭ, избирательного усилителя ИУЬ демодуля тора ДМЬ цифрового интегратора И\ и регистра Цифровой интегра тор представляет собой последовательное соединение преобразователя напряжение-частота и реверсивного счетчика. Реализация реверсивно го счетчика исключает его переполнение и последующий сброс.
Устойчивость системы слежения по стыку достигается выбором общего коэффициента усиления путем изменения коэффициента пре образователя напряжение-частота [116].
Канал фокусировки пучка и анализа чувствительности состоит из избирательного усилителя второй гармоники ИУ2, демодулятора ДМ2 и аналого-цифрового преобразователя. В системе этот канал ис пользуется для контроля острого фокуса по максимуму второй гармо ники. При этом изменение фокусировки осуществляется оператором через регулируемый источник питания РИП и усилитель мощности УМ4. Уровень второй гармоники как показатель чувствительности измерительного устройства используется в микроконтроллере для пе реключения режима работы системы при движении над прихватками и пережатии стыка, когда вероятность сбоя системы слежения становится ощутимой.
Система работает в трех режимах: настройки на стык; записи программы стыка на малом токе; воспроизведения программы на рабо чем токе.
Программа траектории стыка записывается в 1024 ячейках ОЗУ. Моменты записи и воспроизведения программы формируются датчи ком перемещения изделия ДП.
В гл. 4 дается рекомендация, по которой для повышения поме хоустойчивости измерительного устройства контроля положения стыка следует выполнять сканирование электронного пучка вдоль стыка с амплитудой 5...6 мм. Для этой цели используется задающий генератор пилообразного напряжения ЗГ2 и усилитель мощности УМ3. Введение продольного сканирования электронного пучка при записи программы траектории стыка повышает помехозащищенность и точность слежения по стыку.
Алгоритм работы контроллера МК предусматривает режимы за писи программы, обработки информации и воспроизведения траекто-
рии стыка на рабочем токе электронного пучка. Переключение режи мов работы осуществляется оператором.
Врежиме записи программы реализуется автоматическое сле жение за стыком. Для этой цели цифровой сигнал о положении пучка относительно стыка через порт В2, цифро-аналоговый преобразователь ЦАП1 и усилители мощности УМ1 и УМ2 поступает в отклоняющие катушки ОКх и ОК2, которые реализуют в данном случае плоскопарал лельное перемещение пучка до совмещения его со стыком. В этом режиме осуществляется запись программы траектории стыка в ОЗУ. После записи информации по всем 1024-м точкам индицируется сооб щение «Конец записи». В дальнейшей работе возможен реверс пере мещения детали или электронно-лучевой пушки.
Врежиме обработки информации происходит линейное интер полирование участков траектории, имеющих чувствительность датчика ниже порогового уровня, по следующему алгоритму
л + 1 ’
где хк и xt - записанные координаты пучка, в промежутках между кото рыми исчезла чувствительность; п - количество импульсов с датчика перемещения за время прохождения участков с низкой чувствительно стью. Координаты участка интерполирования рассчитываются по фор муле
Xi+K= */ + к Д х , к= 1 , 2 , . . . , и.
После обработки информации происходит перезапись програм мы на участках с низкой чувствительностью.
Другой целью обработки является определение показателя дос товерности информации
где Nj - количество точек траектории, для которых чувствительность выше порогового значения.
При показателе достоверности информации С < 0,7 оператору целесообразно осуществить воспроизведение траектории стыка на малом токе пучка с контролем процесса с помощью средств наблюде ния и при необходимости перезаписать программу.
Алгоритм и программа микроконтроллера предусматривает ото бражение траектории стыка и показателя текущей чувствительности измерительного устройства на экране дисплея с перемещением изо-
бражения синхронно с перемещением свариваемого изделия. Это по зволяет наблюдать процесс записи и воспроизведения траектории сты ка, а также исправление программы после обработки информации.
Канал измерения и компенсации влияния магнитного поля пред назначен для устранения погрешности позиционирования электронного пучка по стыку в корне шва от остаточной намагниченности сваривае мого изделия [108]. В основе канала лежит цифровой измеритель маг нитного поля с феррозондовым датчиком ФД. Для линейности статиче ской характеристики измеритель построен по компенсационной схе ме [56]. Конструктивные и принципиальные электрические параметры феррозондового датчика выбраны в соответствии с рекомендациями работ [90; 92]. Обмотка возбуждения запитывается синусоидальным напряжением частотой 24 кГц с задающего генератора ЗГ]. В измери тельной обмотке наводится сигнал второй гармоники, пропорциональ ный измеряемому магнитному полю. Эта ЭДС выделяется избиратель ным усилителем ИУ3. Усиленный сигнал детектируется демодулятором ДМ3 и поступает в цифровой интегратор И2. Обратная связь формиру ется цифро-аналоговым преобразователем ЦЛП2 и усилителем мощно сти УМ5, создающем ток /к, протекающий в компенсационной обмотке феррозонда. Ток в компенсационной обмотке создает магнитное поле, компенсирующее измеряемое магнитное поле. На выходе цифрового интегратора получается цифровой аналог измеряемого магнитного поля, который через регистр Р2 поступает в порт Aj контроллера. Феррозондовый датчик размещается в промежутке между пушкой и свари ваемым изделием на определенной высоте, при которой угол ¥ между касательной и траекторией от неоднородного магнитного поля оста точной намагниченности равен углу от однородного поля, величина которого контролируется феррозондовым датчиком. В этом случае угол *Р может быть рассчитан по формуле [22]
4 '= - ? - fB ( Z)dZ =-? -B z, mV о mV
где z - расстояние от пушки до обрабатываемого изделия.
Феррозонд ориентирован так, что его ось чувствительности на ходится в плоскости стыка перпендикулярно оси электронно-лучевой пушки. В этом случае он измеряет составляющую магнитного поля, приводящую к отклонению электронного пучка относительно стыка. Погрешность позиционирования в корне шва будет отсутствовать, если угол наклона траектории пучка = *Р - % = 0 (рис. 4.3). Это условие достигается, если магнитное поле помехи компенсируется эквивалент-