автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему: Управление режимом высокочастотной сварки изделий из пластмасс сложной формы
Автореферат диссертации по теме "Управление режимом высокочастотной сварки изделий из пластмасс сложной формы"
УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМОМ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ СВАРКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС СЛОЖНОЙ ФОРМЫ
05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМОМ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ СВАРКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС СЛОЖНОЙ ФОРМЫ
05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена в ОАО «Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический аккумуляторный институт «Источник» Федерального космического агентства (г.Санкт-Петербург)
Научный руководитель: доктор технических наук, доцент
МАРКОВ Андрей Викторович
доктор технических наук, профессор кандидат технических наук
РУСИНОВ Леон Абрамович ГРАЧЕВ Сергей Юльевич
ФГУП «Российский научный центр «Прикладная химия» (г. Санкт-Петербург)
Защита диссертации состоится 3 0 июня 2011 года в 13 час в ауд.61 на заседании совета Д212.23 0.03 по защите докторских и кандидатских диссертаций при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)» по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26, ауд. 61.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.
Отзывы на автореферат, заверенные печатью, направлять по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26, СПбГЩТУ), Ученый совет: тел. (812)494-93-75, факс. (812)712-77-91, E-mail: dissovet@iti-gti.ru
Автореферат разослан мая 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, д. т. н., профессор
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Высокочастотная (ВЧ) сварка термопластов хорошо зарекомендовала себя в промышленной практике. Основными преимуществами метода являются быстрый и локальный (в зоне свариваемого шва) нагрев соединяемых поверхностей без проплавления всего объема материала. При этом качество сварных соединений (прочность, герметичность), как правило, превышает качество соединений при других методах сварки. Однако технология ВЧ-сварки пластмасс разработана в основном для соединения деталей в изделиях простой формы.
Между тем в производственной практике весьма распространены изделия из пластмасс сложной пространственной формы, в которых сварке подлежат не только внешние (доступные для приложения электрического поля), но одновременно и внутренние поверхности соединяемых деталей. Реализация высокочастотной, равно как и других методов сварки, в подобных случаях встречает большие затруднения как в части создания технологической оснастки для организации единовременного сварочного цикла, так и в отношении управления режимом процесса.
При сварке пластмасс методом высокочастотного нагрева измерение температуры в сварном соединении технически невозможно. По этой причине временную продолжительность цикла сварки - время достижения в сварном шве температуры текучести термопласта находят расчетным путем, что корректно только при строгом учете изменяющихся во времени параметров процесса и свойств материала - удельной мощности, теплоемкости и теплопроводности термопласта.
Однако качество сварки определяется не только прочностью полученных соединений. Необходимо, чтобы процесс сварки не сопровождался искажением формы соединяемых деталей. Для достижения такого результата требуется тщательный и весьма трудоемкий подбор режимных параметров процесса.
До настоящего времени наиболее рациональные (в отношении качества готовой продукции) режимы ВЧ-сварки пластмасс определяют индивидуально для каждой конкретной конструкции технологической оснастки. Между тем рациональные режимы ВЧ-сварки могут быть найдены на основе теоретического анализа поля температур в толще термопласта, т. е. путем определения эффективной глубины прогрева околошовной зоны, обеспечивающей заданное качество сварки.
Решение этой задачи является первым этапом успешного решения основной задачи настоящей работы - управления режимом ВЧ-сварки деталей из пластмасс в изделии сложной формы, специфика которой заключается в возможности реализации единовременного сварочного цикла, то есть в обеспечении равенства времен сварки в каждом из двух соединений - внешнем и внутреннем.
Цель работы. Разработка способа управления и разработка
автоматизированной системы управления процессом высокочастотной сварки изделий из пластмасс сложной формы.
- впервые предложенный способ управления процессом ВЧ-сварки изделий из пластмасс сложной формы, реализующий режим высокочастотного нагрева во внутреннем соединении за счет наведенной ЭДС и предусматривающий автономное регулирование в нем напряженности электрического поля;
- математическая модель сварки пластмасс в высокочастотном электрическом поле, описывающая сварку как нестационарный процесс распространения тепла в многослойной несимметричной системе высокопотенциальный электрод -изоляционный вкладыш - термопласт - заземленный электрод и учитывающая зависимости фактора диэлектрических потерь и теплоемкости термопласта от температуры;
- методика оценки качества сварного соединения в процессе ВЧ-сварки пластмасс по глубине прогрева околошовной зоны, определяемой расчетным путем с учетом конструктивных особенностей технологической оснастки;
- алгоритм и структура АСУ процессом высокочастотной сварки изделий из пластмасс сложной формы, содержащих внешнее и внутреннее сварные соединения с различными по конфигурации электрического поля рабочими конденсаторами. .
Научная новизна. Разработана математическая модель сварки пластмасс в высокочастотном электрическом поле, описывающая сварку как нестационарный процесс распространения тепла в многослойной системе высокопотенциальный электрод - изоляционный вкладыш - термопласт -заземленный электрод и учитывающая зависимости фактора диэлектрических потерь и теплоемкости термопласта от температуры.
Разработана методика оценки качества сварного соединения в процессе ВЧ-сварки пластмасс по глубине прогрева околошовной зоны, определяемой расчетным путем с учетом конструктивных особенностей технологической оснастки. На примерах соединения деталей из поливинилхлорида и полиамида показано, что при ВЧ-сварке в технологической оснастке с одним изолированным электродом (несимметричная тепловая задача) значения глубины прогрева околошовной зоны, обеспечивающие заданное качество сварки, находятся в пределах (0,3-0,55) от толщины деталей.
Впервые предложен способ управления процессом ВЧ-сварки деталей из пластмасс сложной формы, обеспечивающий равенство времен сварки в отдельных, отличных друг от друга по распределению электрического поля соединениях. Способ реализует режим высокочастотного нагрева во внутреннем соединении за счет наведенной. ЭДС и предусматривает подстройку общей удельной мощности путем автономного регулирования напряженности электрического поля во внутреннем соединении, что позволяет за один цикл осуществить сварку одновременно двух соединений.
Разработаны алгоритм и структура АСУ процессом ВЧ-сварки изделий из пластмасс сложной формы. Система осуществляет регулирование общей
удельной мощности по закону изменения удельной мощности в первом соединении и тем самым реализует режим равенства времен сварки в соединениях.
Практическая ценность. Разработана конструкция технологической оснастки для ВЧ-сварки изделий из пластмасс сложной формы, содержащая устройство для автономного регулирования напряженности электрического поля во внутреннем сварном соединении.
Разработана методика автоматизированной настройки ВЧ-установки с технологической оснасткой для сварки изделий из пластмасс сложной формы в режим равенства времен сварки в отдельных соединениях. Методика предусматривает определение напряжения на втором рабочем конденсаторе (во внутреннем сварном соединении) в режиме реального времени.
Предложенный способ ВЧ-сварки деталей из пластмасс в изделии сложной формы и способ управления режимом процесса защищены патентом РФ на изобретение и внедрены в промышленное производство аккумуляторных батарей.
Апробация работы. Отдельные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на 22 и 23 Международных конференциях «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-22, ММТТ-23)» -Псков: Псков, гос. политехи, ин-т, 2009; Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2010.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе получен патент РФ на изобретение.
Реализация результатов. Разработаны и внедрены в производство способ и оборудование (технологическая оснастка) для ВЧ-сварки аккумуляторных батарей 2КМ30Р (ОАО «НИАИ «Источник», г. СПб).
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 112 е., состоит из четырех глав, содержит 19 рис., 16 табл., список литературы насчитывает 74 наименования.
В первой главе дан критический анализ состояния вопроса в области технологии ВЧ-сварки пластмасс, методов контроля и управления режимом процесса. Отмечается, что технология ВЧ-сварки разработана в основном для соединения деталей простой формы. Известные математические модели, не позволяют определить оптимальные или наиболее рациональные в отношении качества готовой продукции режимные параметры процесса. К таковым относятся параметры режима (напряженность электрического поля или напряжение на рабочем конденсаторе, время сварки), при которых обеспечивается высокая механическая прочность сварного соединения без искажения формы соединяемых деталей. Этим условиям должна отвечать вполне определенная глубина прогрева околошовной зоны. Однако влияние глубины прогрева околошовной зоны на качество сварки до настоящего времени не исследовано. Очевидно, что эффективная глубина прогрева околошовной зоны зависит от конструкции и материалов исполнения технологической оснастки. Подобрать экспериментально наиболее рациональные режимные параметры процесса удается лишь в простейших
случаях (например, при ВЧ-сварке пленочных материалов, когда искажение формы соединяемых деталей не имеет принципиального значения).
При изготовлении изделий из пластмасс сложной формы требуется получить за один цикл два соединения и в том числе обеспечить соединение поверхностей, к которым электрическое поле не может быть непосредственно подведено. Сварка таких деталей требует разработки специальной (нетиповой) конструкции технологической оснастки, которая должна содержать в своем составе устройство для независимого регулирования режима ВЧ-нагрева в одном из соединений. Соответственно возникает задача управления режимами сварки одновременно в двух соединениях. Если наиболее рациональный (эффективный) режим сварки в одном из соединений предварительно найден, то для синхронизации режимов ВЧ-нагрева одновременно в двух соединениях требуется обеспечить равенство удельных мощностей в объемах, занимаемых термопластом в каждом из соединений. Решение этой задачи осложняется тем, что рабочие конденсаторы для ВЧ-сварки пластмасс часто представляют собой системы с неоднородным распределением электрического поля.
На основании проведенного литературного обзора основные задачи диссертации сформулированы следующим образом:
- разработка математической модели высокочастотной сварки пластмасс в технологической оснастке с одним изолированным электродом;
- разработка расчетной методики оценки качества сварного соединения по глубине прогрева околошовной зоны;
- разработка способа управления режимом высокочастотного нагрева при сварке деталей из пластмасс одновременно в двух соединениях;
разработка автоматизированной системы управления процессом высокочастотной сварки изделий из пластмасс сложной формы.
2 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ СВАРКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС СЛОЖНОЙ ФОРМЫ КАК ОБЪЕКТА
На рис. 1 представлен внешний вид деталей для сварки изделия сложной формы. Здесь сварке (за один цикл) подлежат соединения: внешнее - «крышка 1 - корпус 2» ( по периметру) и внутреннее - «крышка 1 - перегородка 3». Перегородкой 3 корпус 2 делится на два отсека, которые должны быть герметично изолированы друг от друга. До настоящего времени соединение «крышка - корпус» получали методом ВЧ-сварки, а соединение «крышка -перегородка» - склеиванием, что не обеспечивало надежной герметизации отсеков и резко снижало производительность оборудования.
На рис.2 показано устройство технологической оснастки для ВЧ-сварки деталей заданной конфигурации одновременно в двух соединениях. Сварка крышки 1 с корпусом 2 производится в электрическом поле внешних электродов, установленных по обе стороны свариваемых деталей, -высокопотенциального 3 и заземленного 4, между которыми заключен вкладыш
5 из термостойкого изоляционного материала. В отсеках корпуса, образованных
перегородкой 6, размещены два внутренних электрода 7, выполненные в виде отрезков тонкостенных труб прямоугольного сечения, плотно прилегающих к стенкам корпуса и перегородки. С наружной стороны корпуса установлен третий внешний электрод 8, соединенный с заземленным электродом 4 через конденсатор переменной емкости Cv. Для концентрации напряженности поля вблизи соединения «перегородка - крышка» электроды 7 выполнены разновысот-ными - высота стенок электродов, прилегающих к перегородке, меньше высоты корпуса приблизительно на его толщину,а противоположные стенки электродов 7 ниже корпуса не менее, чем на пятикратную его толщину. Напряжение Up\ от ВЧ-генератора приложено к электродам 3 и 4, образующим рабочий конденсатор Срь Напряжение [/р2 между внутренними электродами 7 и высокопотенциальным электродом 3, образующими рабочий конденсатор Ср2 , наводится полем электродов 8 и 3. Таким образом конденсаторы Ср2 и Cv оказываются включенными последовательно. Конденсатор Cv выполняет функцию регулирующего органа для сварки второго соединения.
Необходимым условием качественной сварки деталей корпуса и крышки, особенно существенным для термопластов с узким температурным интервалом вязко-текучего состояния (полиамиды), является равенство времен сварки в соединениях - времен достижения в каждом сварном шве температуры текучести термопласта. Для этого достаточно обеспечить равенство удельных мощностей р01 и р02 в объемах V\ и V2, , занимаемых материалом в рабочих конденсаторах Ср\ и Ср2, соответственно.
Удельная мощность внутренних источников тепла, выделяющаяся в материале за счет его диэлектрических потерь, равна
где /-частота ЭМ-поля; е0-абсолютная диэлектрическая проницаемость воздуха (вакуума); е', íg83 - относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь материала; Е - средняя напряженность электрического поля в материале.
Электродные системы рабочих конденсаторов Ср j и Ср2 отличны друг от друга по конфигурации; при этом электрическое поле в каждом из них существенно неоднородно (рис.2). Расчет средней напряженности Е представ-
Рисунок 1 - Внешний вид деталей изделия сложной формы (химического источника тока): I - крышка,2 - корпус, 3 - перегородка в корпусе
Рисунок 2 - Технологическая оснастка для ВЧ-сварки деталей изделия сложной формы: 1 - крышка; 2 - корпус; 3 - высокопотенциальный электрод; 4 - низкопотенциальный (заземленный) электрод; 5 - изоляционный вкладыш; б - перегородка; 7 - внутренние электроды; 8 - внешний (вспомогательный) электрод; 9 - сварной шов
ляет большие трудности, в особенности в условиях зависимости диэлектрической проницаемости термопласта от температуры. В связи с этим в диссертаций использован подход, основанный на непосредственном определении мощности по мгновенным электрическим параметрам генератора для ВЧ-нагрева, не требующий знания электрофизических свойств материала. Конструкция сварочной оснастки (рис.2) дает возможность с помощью конденсатора Cv регулировать напряжение UP2 на рабочем конденсаторе Ср2, а, следовательно, и удельную мощность р0г, независимо от приложенного напряжения Upi. Для вывода соотношений, связывающих удельные мощности Pol и р с параметрами цепи, соответственно при ВЧ-сварке отдельно только первого соединения (крышка - корпус) и двух соединений одновременно, а также для формулировки задачи управления режимом сварки включим последовательно с Ср1 еще один конденсатор постоянной емкости Cv\. Тогда полная электрическая схема технологической оснастки будет иметь вид, представленный на рис.3.
Из схемы на рис.3 следует (при tgö < 0,3);
UBCB = t/'pi Ср1 = t/vl C„i; U\C 'B = t/P2 CP2= t/V2 CV2, (2)
причем i/pl = U,+ U'pl+ t/vl = U\+ Up2+ Uv2 .
Емкости рабочих конденсаторов выражаются контролируемые параметры Us\ и Uv2-
Удельная мгновенная мощность в первом сварном соединении р0\ определяется в режиме РВ по мгновенным электрическим параметрам генератора:
где хсв - реактивное сопротивление элемента связи между контурами двухконтурного генератора; ш - угловая частота: со = 2%f\ г\ - сопротивление активных потерь в первичном (анодном) контуре; у = а.Лхо ,а0 и а. коэффициенты разложения в ряд импульса анодного тока генератора; /ао -постоянная составляющая анодного тока; Сэ - эквивалентная емкость генераторной лампы; т - время.
Рисунок 3 - Электрическая схема технологической оснастки для ВЧ-сварки изделия сложной формы: С„ - емкость изоляционного вкладыша между электродами 3 и 4 (рис.2); СР1-емкость рабочего конденсатора между электродами 3 и 4 для сварки соединения «крышка-корпус» по периметру; СУ| - емкость дополнительного конденсатора; С'„ - емкость изоляционного вкладыша между электродами 7 и 3; Ср2- емкость рабочего конденсатора между электродами 7 и 3 для сварки соединения «крышка-перегородка в корпусе»; Счг - емкость переменного конденсатора
Выражение для общей удельной мгновенной мощности р