УНИВЕРСАЛЬНАЯ АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

Предлагаемая полезная модель относится к автоматизации электротермической обработки, и может быть использована в авиационной, автомобильной, строительной, дорожной, железнодорожной, нефтяной, газовой, горнодобывающей промышленности, сельскохозяйственном машиностроении и на ремонтных предприятиях.
Известна универсальная установка типа ЛГЗ-30 (60, 100, 200) с одним ламповым генератором и двумя высокочастотными электротехнологическими постами для пайки и для закалки деталей (А.В.Донской, Г.С.Рамм, Ю.В.Вигдорович. Высокочастотные установки с ламповыми генераторами. Изд. 2-е, перераб. и доп.Л., «Энергия», 1974, сс.7, 8, 18, 39, 47, 50, 53), которая принимается за прототип. Установка по прототипу содержит технологический пост для пайки, включающий набор индукторов для пайки, датчик температуры и механизмы для крепления и перемещения детали; технологический пост для закалки, включающий набор закалочных индукторов, датчик температуры и механизмы для крепления и перемещения детали; высокочастотный генератор для питания индукторов и систему управления, обеспечивающую работу каждого поста установки и связанную с генератором, датчиками температуры и механизмами перемещения детали. Система управления установки по прототипу позволяет обеспечить настройку на один из двух режимов ее использования с плавным регулированием выходной мощности лампового генератора без значительного изменения частоты тока и стабилизацию напряжения генератора за счет использования специального регулятора
мощности с переменными обратными связями и связями между промежуточным контуром и контуром нагрузки, что и обеспечивает универсальность установки по прототипу. Недостатками установки по прототипу являются повышенная энергоемкость и большие массогабаритные показатели при низком коэффициенте полезного действия, что объясняется использованием лампового высокочастотного генератора. К недостатку следует также отнести недостаточно высокую степень автоматизации и механизации установки по прототипу, что объясняется уровнем техники на момент ее изготовления.
В связи с указанными недостатками устройства по прототипу существует задача создания универсальной автоматизированной установки для индукционной нагрева с большим количеством постов, чем в устройстве по прототипу, с более высокой степенью механизации и автоматизации при снижении энергоемкости и габаритов установки. Поставленная задача решается следующим образом. В универсальной автоматизированной установке для индукционного нагрева, содержащей высокочастотный генератор, технологический пост для пайки, включающий набор индукторов для пайки, датчик температуры и механизмы для крепления и перемещения детали; технологический пост для закалки, включающий набор закалочных индукторов, датчик температуры и механизмы для крепления и перемещения детали, и систему управления, связанную с генератором, датчиками температуры и механизмами перемещения детали, высокочастотный генератор выполнен на транзисторах; система управления выполнена на основе программируемого контроллера и связанной с ним ЭВМ промышленного исполнения, которая оснащена специальным программным обеспечением; технологический пост для пайки дополнен механизмами для фиксации детали, механизмами для крепления и перемещения индуктора, а также датчиками положения механизмов перемещения детали и индуктора, устройствами регулирования скорости механизмов перемещения и
датчиком контроля качества пайки, связанных с программируемым контроллером; технологический пост для закалки дополнен механизмами для фиксации детали, механизмами для крепления и перемещения индуктора, а также датчиками положения механизмов перемещения детали и индуктора, устройствами регулирования скорости механизмов перемещения и датчиком контроля качества закалки, связанных с программируемым контроллером; при этом установка дополнена технологическим постом для индукционной наплавки, включающей набор индукторов для наплавки, бункер с дозатором для подачи шихты, устройство для планирования поверхности шихты, механизмы для крепления и перемещения индуктора, бункера и устройства для планирования поверхности шихты, а также датчики положения механизмов перемещения, устройства регулирования скорости механизмов перемещения, датчик контроля качества наплавки и датчик расстояния между индуктором и поверхностью расплава, связанные с программируемым контроллером.
Технический результат от применения предлагаемой установки состоит в повышении показателей качества индукционной пайки, индукционной закалки и индукционной наплавки, а также в расширении функциональных возможностей установки.
Указанный технический результат достигается использованием в предлагаемой установке малогабаритного транзисторного высокочастотного генератора, который прост в перенастройке, в том числе автоматической, энергетически выгоден благодаря коэффициенту полезного действия не менее 90 процентов, не требует специальной подготовки к работе и выключению, то есть к прогреву и охлаждению, имеет малые габариты и вес, в отличие от лампового генератора. Транзисторный генератор позволяет изготавливать переносные универсальные установки, что расширяет функциональные возможности предлагаемого устройства по сравнению с устройством по прототипу.
Конструкция согласующего устройства транзисторного генератора позволяет использовать его для работы на различную индукционную нагрузку, что делает предлагаемую установку универсальной.
Указанный технический результат достигается выполнением системы управления в виде программируемого логического контроллера и связанного с ним ЭВМ, что позволяет осуществлять самонастройку технологических процессов пайки, закалки и наплавки, расширяя функциональные возможности предлагаемого устройства по сравнению с устройством по прототипу. Это достигается наличием в ЭВМ разработанного авторами программного обеспечения в виде статистических, оптимизационных программ и численных моделей, разработанных на основании тепловых и электромагнитных математических моделей индукционного нагрева - пайки, закалки и наплавки, с учетом геометрических и электрических параметров индуктора, материала и конфигурации детали, а при наплавке - с учетом состава и толщины шихты. Программы оптимизации позволяют выявить степень влияния каждого изменяемого параметра технологического процесса индукционного нагрева на показатели качества пайки, закалки или наплавки и являются основой для статистических программ. Статистические программы содержат базы данных параметров для каждого вида нагрева и для каждой детали, которыми ЭВМ оперативно обменивается с программируемым контроллером. Используя базы данных ЭВМ, контроллер производит управление работой технологических постов и выходной мощностью генератора. Необходимая информация об индукционном нагреве оперативно поступает от датчиков на вход контроллера и далее в базы данных ЭВМ.
Указанный технический результат достигается благодаря дополнительной механизации и автоматизации технологических постов для пайки и закалки, позволяющей регулировать скорость и траекторию перемещения индуктора и/или детали, а также оперативно контролировать
процесс нагрева с помощью датчиков положения механизмов и контроля качества, связанных с системой управления. При этом появляется возможность более оперативного регулирования или стабилизации температурного режима, чем в устройстве по прототипу, что повышает показатели качества индукционного нагрева.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что предлагаемая установка позволяет использовать ее по дополнительному назначению, а именно, для индукционной наплавки, что расширяет функциональные возможности устройства по сравнению с устройством по прототипу. При этом механизация и автоматизация процесса наплавки позволяет получить гарантированно устойчивое качество наплавленной поверхности. Это объясняется автоматическим регулированием с помощью системы управления работой бункера с дозатором для подачи шихты, устройством для выравнивания шихты и перемещением индуктора.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4. На фиг.1 схематически изображена блок-схема автоматического управления установкой; на фиг.2 - блок-схема технологического поста для пайки; на фиг.3 - блок-схема технологического поста для закалки; на фиг.4 - блок-схема технологического поста для наплавки.
На чертежах показано: 1 - ЭВМ; 2 - генератор; 3 - программируемый контроллер; 4 - технологический пост для пайки; 5 - технологический пост для закалки; 6 - технологический пост для наплавки; 7 - система управления; 8 - индуктор для пайки; 9 - устройство регулирования скорости механизмов перемещения индуктора для пайки; 10 - механизмы перемещения индуктора для пайки; 11 - датчик положения механизмов перемещения индуктора для пайки; 12 - деталь; 13 - механизмы перемещения детали, подлежащей пайке; 14 - устройство регулирования скорости механизмов перемещения детали, подлежащей пайке; 15 - датчик положения механизмов перемещения детали, подлежащей пайке; 16 - датчик
температуры технологического поста для пайки; 17 - датчик контроля качества пайки; 18 - индуктор для закалки; 19 - механизмы перемещения индуктора для закалки; 20 - устройство регулирования скорости механизмов перемещения индуктора для закалки; 21 - датчик положения механизмов перемещения индуктора для закалки; 22 -механизмы перемещения детали, подлежащей закалке; 23 - устройство регулирования скорости механизмов перемещения детали, подлежащей закалке; 24 - датчик положения механизмов перемещения детали, подлежащей закалке; 25 - датчик температуры технологического поста для закалки; 26 - датчик контроля качества закалки; 27 - индуктор для наплавки; 28 - механизмы перемещения индуктора для наплавки; 29 - устройство регулирования скорости механизмов перемещения индуктора для наплавки; 30 - датчик положения механизмов перемещения индуктора для наплавки; 31 - устройство для планирования поверхности шихты; 32 - механизмы для крепления и перемещения устройства для планирования поверхности шихты; 33 - устройство регулирования скорости перемещения устройства для планирования поверхности шихты; 34 - датчик положения механизмов перемещения устройства для планирования поверхности шихты; 35 - бункер с дозатором для подачи шихты; 36 - механизмы для крепления и перемещения бункера; 37 - устройство регулирования скорости механизмов перемещения бункера; 38 - датчик положения механизмов перемещения бункера; 39 - механизмы для крепления и перемещения детали, подлежащей наплавке; 40 - устройство регулирования скорости перемещения детали, подлежащей наплавке; 41 - датчик положения механизмов перемещения детали, подлежащей наплавке; 42 - датчик температуры технологического поста наплавки; 43 - датчик расстояния от индуктора до поверхности шихты; 44 - датчик контроля качества наплавки.
Сущность предлагаемой универсальной автоматизированной установки для индукционного нагрева заключается в следующем.
Программируемый контроллер 3 и связанная с ним ЭВМ 1 представляют собой систему управления 7, которая обеспечивает один из трех технологических режимов работы установки: пайки, закалки и наплавки. Высокочастотный транзисторный генератор 2 связан с программируемым контроллером 3 и с тремя технологическими постами для индукционного нагрева 4, 5 и 6 через индукторы 8, 18 и 27, которые закрепляются и перемещаются с помощью механизмов 10, 19 и 28, связанных с программируемым контроллером 3 через устройства регулирования скорости их перемещения 9, 20 и 29. Перемещение индукторов 8, 18 и 27 контролируется соответствующими датчиками положения 11, 21 30, связанными с программируемым контроллером 3. Каждый технологический пост 4, 5 и 6 имеет механизмы 13, 22 и 39 для крепления и перемещения детали 12, подлежащей пайке, закалке или наплавке, связанные с системой управления 7 через устройства регулирования скорости их перемещения 14, 23 и 40. Датчики положения 15, 24 и 41 механизмов перемещения связаны с программируемым контроллером 3. Каждый технологический пост 4, 5 и 6 имеет соответственно датчик температуры 16, 25 и 42, и датчик контроля качества пайки 17, закалки 26 и наплавки 44. Технологический пост для наплавки 6 содержит дополнительно бункер с дозатором для подачи шихты 35 и устройство для планирования поверхности шихты 31, которые закрепляются и перемещаются с помощью механизмов 36 и 32, связанных с программируемым контроллером 3 через устройства регулирования скорости их перемещения 37 и 33. Датчики положения 38 и 34 механизмов перемещения связаны программируемым контроллером 3. Кроме того, технологический пост для наплавки 6 включает дополнительный датчик расстояния между индуктором и поверхностью расплава 43, связанный с программируемым контроллером 3.
Предлагаемая универсальная установка работает следующим образом.
Система управления 7 обеспечивает алгоритм работы установки в заданном оператором режиме: пайки, закалки или наплавки. ЭВМ 1 имеет специальное программное обеспечение для каждого вида нагрева в виде тепловых, электромагнитных, оптимизационных и статистических моделей, а также базы данных регулируемых параметров. После выбора режима нагрева для каждой новой детали 12 производится настройка системы управления 7, при которой первоначально определяются расчетным путем рабочие технологические параметры. Для этого необходимые исходные данные, в частности, о материале и геометрии изделия, о параметрах индуктора, а для наплавки также и о составе и толщине шихты заносятся в ЭВМ 1. ЭВМ 1 производит расчет параметров предстоящего индукционного нагрева по тепловой, электромагнитной и/или оптимизационной численной модели. Результаты расчетов позволяют определить значение выходной мощности генератора 2 и рабочего тока индуктора 8, 18 или 27. В случае наплавки определяется расстояние от индуктора 27 до поверхности шихты и скорость наплавки. Полученные значения параметров заносятся в первичную базу данных статистической модели в памяти ЭВМ 1. Для данного изделия и для каждого режима нагрева создается отдельная база данных. Затем значения параметров из ЭВМ 1 передаются в программируемый логический контроллер 3 для обработки и формирования управляющих сигналов на устройства регулирования скорости механизмов перемещения детали 13, 22 или 39, индуктора 8, 18 или 27, а также на вход генератора 2. При расчете параметров режима наплавки управляющие сигналы поступают также и на устройства регулирования скорости механизмов перемещения бункера 35 и устройства для планирования поверхности шихты 31.
Предлагаемая установка работает по принципу самонастраивающейся системы, при которой при первом цикле работы установки в заданном режиме производится практическое определение степени влияния регулируемых параметров на показатели качества процесса пайки, закалки
или наплавки. Первый цикл работы установки по программе системы управления 7 начинается с того, что с помощью механизмов 13, 22 или 39 изделие 2 закрепляется и перемещается в зону нагрева. Датчик положения 15, 24 или 41 механизмов перемещения изделия 13, 22 или 39 передает информацию на вход программируемого контроллера 3. При работе установки в режиме пайки или закалки производится фиксация детали 12, и после окончания позиционирования детали 12 с помощью механизмов перемещения 10 или 19 приводится в движение индуктор 8 или 18.
При работе установки в режиме наплавки после позиционирования изделия 12 с помощью механизмов 36 бункер с дозатором для подачи шихты 35 подводится к детали 12 и производится засыпка заданного количества шихты на поверхность детали, подлежащей наплавке, при заданной скорости перемещения бункера 35. Датчик положения механизмов для перемещения бункера 38 передает оперативную информацию на вход программируемого контроллера 3. После окончания засыпки шихты с помощью механизмов перемещения устройства для планирования поверхности шихты 32 производится ее равномерное распределение по поверхности детали 12, подлежащей наплавке. Датчик положения механизмов перемещения устройства для планирования поверхности шихты 34 передает оперативную информацию на вход программируемого контроллера 3. После окончания планирования шихты по команде системы управления 7 приводится в движение индуктор 27.
Дальнейшее автоматическое управление режимом пайки, закалки и наплавки производится по единому алгоритму. После окончания позиционирования индуктора 8, 18 или 27 датчик положения механизмов перемещения индуктора 11, 21 или 30 передает информацию о местоположении индуктора на вход программируемого контроллера 3. Затем по команде системы управления 7 от программируемого контроллера 3 производится автоматическое включение генератора 2. При этом устанавливается заданная расчетная величина выходной мощности
источника питания 2, рабочий ток в индукторе 8, 18 или 27 и начинается процесс индукционного нагрева. При работе установки в режиме наплавки происходит перемещение индуктора 27 с заданной скоростью относительно изделия 12 по заданной системой управления 23 траектории. В режимах пайки и закалки возможно перемещение детали 12 относительно индуктора 8 или 18. Датчики положения механизмов перемещения индуктора 27 или датчики механизмов перемещения детали 15 или 24 передают оперативную информацию о передвижении индуктора 27 или детали 12 на вход программируемого контроллера 3. В процессе нагрева датчики температуры 16, 25 или 42 и датчики контроля качества 17, 26 или 44 передают в программируемый контроллер 3 текущие значения соответствующих контролируемых ими параметров. При наплавке используется датчик расстояния между индуктором и поверхностью расплава 43, оперативные данные от которого поступают в программируемый контроллер для контроля и регулирования взаимного расположения индуктора и детали. При работе установки в режиме наплавки датчик контроля качества 44, следуя за индуктором 27, осуществляет оперативный неразрушающий контроль поверхности наплавленного слоя, выявляя ее волнистость, высоту и частоту неровностей или наличие других поверхностных дефектов. Возможно использование нескольких специальных датчиков контроля качества пайки, закалки или наплавки. В процессе наплавки программируемый контроллер 11 преобразует сигналы, полученные от датчиков 30, 34, 38, 41, 42, 43 и 44 в цифровой формат и передает эти данные в ЭВМ 1, где они заносятся в соответствующую базу данных. Сигналы с датчиков 11, 15, 16 и 17 после обработки в системе управления заносятся в базу данных, соответствующую режиму пайки, а сигналы с датчиков 21, 24, 25 и 26 - в базу данных, соответствующую режиму закалки.
Полученные данные на первом цикле работы сравниваются с полученными расчетным путем значениями регулируемых параметров и со
значением текущего показателя качества, после чего, при необходимости, производится корректировка регулируемых параметров с помощью дополнительного расчета по численным моделям. Результаты расчета уточненных регулируемых технологических параметров поступают в базу данных статистической модели ЭВМ 1 и далее в программируемый контроллер 3. Контроллер 3 производит необходимую корректировку работы механизмов перемещения 10, 13 или 19, 22, или 28, 32, 36 и 39, скорости их перемещения с помощью соответствующих им устройств 9, 14 или 20, 23, или 29, 33, 37, 40, а также величины выходной мощности генератора 2. При последующих циклах работы установки в выбранном режиме текущие значения с датчиков 11, 15, 16, 17 или 21, 24, 25, 26, или 30, 34, 38, 41, 42, 43 и 44, поступая в систему управления 7, сравниваются с предыдущими их текущими значениями и также заносятся в соответствующую режиму базу данных. Таким образом, в памяти ЭВМ 1 формируется база данных по данному изделию 12 и по выбранному режиму, которая при последующих циклах работы установки позволяет с помощью статистической модели осуществлять самонастройку параметров технологического процесса, выявляя те параметры, которые необходимо регулировать в данный момент для получения наилучших показателей качества.
Следует отметить, что в некоторых случаях, например, для малопроизводительных ЭВМ 1, первый цикл наплавки производится по методике планирования эксперимента. Система управления 7 изменяет по определенному алгоритму значения параметров процесса нагрева и, определяя степень влияния каждого параметра при разных ситуациях нагрева на значение показателя качества пайки, закалки или наплавки, создает соответствующие базы данных технологических параметров статистической модели для последующей работы системы управления 7 в режиме самонастройки. В процессе работы установки на экране контроллера 3 высвечиваются текущие и заданные параметры режима
нагрева, а на дисплее ЭВМ 1 - распределение температуры по сечению детали или иные необходимые оператору значения технологических параметров. После окончания первого цикла нагрева и остывания изделия с помощью датчика контроля качества 17, 26 или 44 производится неразрушающий контроль полученного наплавленного слоя посредством измерений. К дефектам пайки относятся отсутствие расплавления и растекания припоя. К дефектам закалки относится отличие свойств зоны закалки от заданных свойств, в первую очередь это касается твердости. К дефектам наплавки относятся волнистость и наплывы, шлаковые включения, поры и ненаплавленные участки поверхности, а также отклонения по толщине наплавки. Возможны и иные специальные требования к качеству индукционной обработки, для контроля которых выбираются соответствующие датчики контроля качества, например, лазерные, ультразвуковые, системы технического зрения или другие. После оценки и измерения показателей качества пайки, закалки или наплавки, полученные значения заносятся через программируемый контролер 11 в базу данных ЭВМ 1 системы управления 7, в которой производится необходимая корректировка значений регулируемых технологических параметров с помощью численных и оптимизационных моделей. Затем выполняется следующий цикл выбранного индукционного нагрева, в процессе которого происходит более тонкая настройка технологического процесса, и в результате окончательной отладки технологии пайки, закалки или наплавки система управления 7 представляет собой самонастраивающуюся систему, которая позволяет получить устойчиво хорошее качество.
Пример реализации изобретения
Фирма «ФРЕАЛ и К°» изготовила макетный образец универсальной автоматизированной установки для индукционного нагрева с тремя технологическими постами. Система управления включала PC - совместимый компьютер и программируемый логический контроллер