Повышение качества роботизированной лазерной сварки ламелей из тонколистовой стали за счет автоматического управления тепловыми процессами

Содержание

Введение

Глава 1. Анализ состояния вопроса и обоснование направления исследования

1.1. Современное состояние и направления развития лазерных технологий в промышленности России. Общие сведения и классификация роботов и манипуляторов.

1.2. Технологические особенности сварки тонколистовых материалов и требования к качеству соединений по ЕСТД. Особенности позиционирования и траектории движения робота при сварке ламелей.

1.3. Теплофизические характеристики лазерного воздействия на тонколистовые стальные элементы.Постановка цели и задачи исследования. Научная новизна

Глава 2. Анализ существующих систем автоматизации. Теоретическое исследование

2.1. Техническая характеристика роботизированного комплекса и специфика изготовления стальных ламелей. Диагностика дефектов сварки ламелей и анализ влияния термического цикла на геометрию шва. Обзор методов управления качеством лазерной сварки.

2.2. Математическое моделирование тепловых процессов при роботизированной лазерной сварке ламелей. Разработка физической и математической модели процесса

2.3. Определение критериев качества сварки, связанных с тепловыми параметрами. Вывод по главе. Общие сведения

Глава 3. Разработка системы автоматического управления тепловыми режимами лазерной сварки.

3.1. Проектирование функциональной и структурной схем АСУ ТП роботизированной сварки. Разработка функциональной и структурной схем АСУ ТП на базе ПЛК и SCADA-систем

3.2. Алгоритмизация управления лазерным источником на базе микропроцессорных средств. Расчет точностных характеристик измерительных каналов и обоснование безопасности эксплуатации АСУ ТП

3.3. Обоснование выбора аппаратных средств и расчет эксплуатационных показателей системы. Разработка схем соединений, монтажных схем и алгоритмов HMI-интерфейса для оператора комплекса

Глава 4. Экспериментальные исследования

4.1. Описание экспериментального стенда и оборудования. Методика проведения экспериментов. Результаты эксперимента. Заключение проведенного эксперимента

Заключение

Список использованной литературы

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Тема: Повышение качества роботизированной лазерной сварки ламелей из тонколистовой стали за счет автоматического управления тепловыми процессами

Специальность: 15.02.07 Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям)

ВВЕДЕНИЕ

Автоматизация технологических процессов в современном машиностроительном производстве представляет собой одно из приоритетных направлений развития промышленного комплекса Российской Федерации, что подтверждается стратегическими документами Минпромторга России и федеральными целевыми программами по развитию высокотехнологичных производств. В условиях импортозамещения и перехода к цифровым производственным технологиям особую актуальность приобретает внедрение интеллектуальных систем управления, обеспечивающих стабильное качество выпускаемой продукции при минимизации участия человеческого фактора. Роботизированные комплексы лазерной сварки, оснащенные системами автоматического управления технологическими параметрами, являются одним из наиболее перспективных направлений модернизации отечественных машиностроительных предприятий, работающих в области электротехнической промышленности, где производятся ламели для электрических машин.

Производство ламелей из тонколистовой стали толщиной 0,3-0,8 мм предъявляет повышенные требования к технологии сварки, поскольку неконтролируемый тепловой режим приводит к короблению заготовок, прожогам материала, неравномерному проплавлению и формированию остаточных напряжений, что критически снижает эксплуатационные характеристики готовых изделий. Традиционные методы контроля качества сварки, основанные на периодической выборочной проверке, не обеспечивают необходимой стабильности процесса и требуют постоянной подналадки оборудования высококвалифицированным персоналом. Проблема управления тепловыми процессами при лазерной сварке тонколистовых материалов активно изучается в российских научных центрах, включая МГТУ им. Н.Э. Баумана, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН, однако промышленное внедрение результатов исследований сдерживается недостаточной проработкой практических методов построения АСУ ТП с адаптивными алгоритмами управления.

Степень разработанности проблемы в отечественной научной литературе характеризуется наличием теоретических работ по моделированию тепловых полей в сварочной ванне, исследованиями влияния режимов лазерного излучения на геометрию сварного шва, публикациями по методам диагностики дефектов сварных соединений, однако комплексные решения по построению систем автоматического управления тепловыми процессами в условиях роботизированного производства представлены ограниченно. Существующие коммерческие системы управления лазерными комплексами зарубежных производителей ориентированы на программное задание параметров без оперативной коррекции по обратной связи, что не обеспечивает компенсацию возмущающих факторов производственной среды. В связи с этим разработка отечественных АСУ ТП роботизированной лазерной сварки с контурами адаптивного управления является актуальной научно-технической задачей, решение которой позволит повысить конкурентоспособность российских машиностроительных предприятий.

Цель выпускной квалификационной работы – разработка системы автоматического управления тепловыми процессами роботизированной лазерной сварки ламелей из тонколистовой стали, обеспечивающей повышение качества сварных соединений за счет оперативной коррекции технологических параметров по каналам обратной связи.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• выполнить анализ современного состояния лазерных технологий в промышленности России и систематизировать требования к качеству сварных соединений тонколистовых материалов по действующей нормативной документации;
• исследовать теплофизические характеристики лазерного воздействия на тонколистовые стальные элементы и построить математическую модель тепловых процессов при роботизированной сварке;
• определить критерии качества сварки, связанные с тепловыми параметрами, и разработать методику диагностики дефектов по отклонениям термического цикла;
• спроектировать функциональную и структурную схемы АСУ ТП роботизированной лазерной сварки на базе программируемых логических контроллеров и SCADA-систем;
• разработать алгоритмы управления лазерным источником и обосновать выбор аппаратных средств измерения и исполнения;
• провести экспериментальные исследования разработанной системы управления и оценить эффективность предложенных технических решений.

Объектом исследования является технологический процесс роботизированной лазерной сварки ламелей из тонколистовой конструкционной стали на производственном участке предприятия электротехнической промышленности.

Предметом исследования выступают закономерности влияния режимов лазерного излучения и траектории движения робота-манипулятора на тепловые процессы в зоне сварки и методы автоматического управления параметрами процесса для обеспечения требуемого качества сварных соединений.

Методологическая база исследования включает теоретические методы моделирования тепловых процессов на основе уравнений теплопроводности Фурье, численные методы расчета температурных полей методом конечных элементов, экспериментальные методы термометрии и металлографического анализа сварных соединений, методы проектирования АСУ ТП в соответствии с ГОСТ 34.601-90 и программирования ПЛК по стандарту ГОСТ Р МЭК 61131-3-2016, а также нормативно-техническую базу в области сварочного производства и автоматизации технологических процессов.

Научная новизна работы заключается в разработке математической модели теплового режима лазерной сварки тонколистовых ламелей, учитывающей взаимосвязь скорости движения робота-манипулятора, мощности излучения и геометрических параметров шва, а также в создании алгоритма адаптивного управления лазерным источником с контуром обратной свя

…