СВЧ-установка обработки изделий из диэлектрических материалов с большими объемами и поверхностями
MICROWAVE UNIT FOR PROCESSING ARTICLES FROM DIELECTRIC MATERIALS WITH LARGE VOLUMES AND SURFACES

Изобретение относится к электротехнологическим установкам и устройствам для модифицирующей упрочняющей обработки крупногабаритных изделий с криволинейной поверхностью из отвержденных диэлектрических и, в частности полимерных композиционных, материалов (ПКМ), использующихся преимущественно в конструктивных элементах авиационной и ракетной техники, водного транспорта, а также ветрогенераторов путем воздействия СВЧ электромагнитного поля.
Известно сверхвысокочастотное устройство для нагрева диэлектрических материалов (патент RU №2354083 МПК H05B 6/64), содержащее, по меньшей мере, две периодические замедляющие системы, состоящие из штырей, связок и пластин и расположенные друг над другом, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено, по меньшей мере, двумя периодическими замедляющими системами, расположенными друг над другом, каждые попарно расположенные друг над другом периодические замедляющие системы размещены относительно друг друга во взаимно противоположных направлениях распространения энергии электромагнитного поля и смещены относительно друг друга в продольном направлении на половину расстояния между штырями, при этом пары размещены поперек направления движения диэлектрического материала и каждая пара расположена по отношению к соседней во взаимно противоположных направлениях распространения энергии электромагнитного поля. При этом периодические замедляющие системы выполнены идентичными.
Основным назначением устройства является СВЧ диэлектрический нагрев материалов, что не позволяет его использовать для решения задачи повышения прочности конструкционных элементов из ПКМ по причине появления термических напряжений, приводящих к дефектности материала. Применение волноводного тракта с распределенными излучателями не позволяет осуществлять обработку крупногабаритных объектов с криволинейной поверхностью, поскольку не позволяет их размещать в волноводном тракте с обеспечением равномерности распределения плотности потока СВЧ энергии по поверхности, обладающей кривизной и значительной протяженностью.
Известна (патент RU №2416891, МПК H05B 6/64) СВЧ установка для обработки диэлектрических материалов, содержащая камеру со стоячей волной, систему загрузки-выгрузки обрабатываемого материала и транспортер для перемещения его внутри камеры, два генератора СВЧ энергии, через отрезки волноводов и вводы энергии соединенные с камерой, отличающаяся тем, что камера выполнена из волновода, свернутого в кольцо, или из линейных отрезков волновода, соединенных между собой с образованием замкнутого многогранника, длина которого равна целому числу длин волн в камере, а вводы энергии расположены друг от друга на расстоянии, величина которого равна нечетному числу четвертей длины волны. В вертикальной стенке камеры установки выполнена щель для размещения транспортера, перемещающего обрабатываемый материал внутри камеры и выполненного из диэлектрического материала с малыми потерями в виде вращающегося диска.
Установка не может быть использована для СВЧ обработки крупногабаритных объектов со сложной, например, криволинейной поверхностью, поскольку имеет технологическую камеру со вполне определенным распределением диаграммы направленности СВЧ электромагнитного поля, поэтому на поверхности и в объеме изделия сложной формы не будет обеспечена равномерность СВЧ воздействия. Также основным назначением установки является нагрев материалов в процессе отверждения, что не соответствует решению задачи данного изобретения.
×
×
λ
±
λ
0
0
Известно устройство для СВЧ-термообработки крупных диэлектрических изделий (патент RU №2207474, МПК H05B 6/64, F26B3/347), содержащее камеру нагрева, СВЧ-генератор и волноводно-щелевой возбудитель, отличающееся тем, что многомодовая резонаторная камера нагрева, имеющая размеры (4,64,54,3)15%, где  - длина волны в свободном пространстве, смонтирована на жесткой платформе, содержит наружный каркас жесткости и плоскую раму дверного проема, внутренняя высота которой равна внутренней высоте камеры нагрева, а шарнирно укрепленная дверь, содержащая по периметру полуволновые заградители излучения и канавку для размещения гибкого контактного уплотнения, сверху и снизу прилегает к раме за пределами вертикального размера камеры нагрева, а на верхней, либо боковой стенке камеры укреплен волноводно-щелевой возбудитель Г-образной формы с взаимно перпендикулярным расположением полуволновых щелей и, следовательно, окон связи, напротив которых у противоположной стенки установлены под углом 40-50° к падающим лучам плоские отражатели СВЧ-энергии.
Недостаток устройства заключается в использовании резонаторной камеры определенных размеров, связанных с длиной волны электромагнитного излучения, с волноводно-щелевым возбудителем, что не позволяет вести обработку изделий произвольных размеров. Наличие резонаторной камеры и возбудителя создает в камере фиксированную диаграмму направленности электромагнитной волны, что не позволяет обеспечить равномерность обработки изделия, имеющего произвольные большие размеры и сложную, например, криволинейную форму.
Известна установка СВЧ-сушки многослойных форм (патент RU №2019066, МПК H05B 6/64), используемых в производстве изделий сложной формы по выплавляемым моделям. Установка содержит корпус, на оси которого расположен ротор, связанный с приводом, при этом на роторе закреплены вертикальные перегородки, по периметру которых размещено уплотнение, при этом перегородки делят корпус на камеры нагрева, магнетроны, связанные с камерами нагрева посредством вводов энергии, отличающаяся тем, что корпус выполнен в виде восьмигранника, на боковых стенках которого выполнены вводы энергии, с образованием горизонтальных и вертикальных рядов, при этом соседние вводы энергии имеют взаимно перпендикулярную поляризацию, количество вертикальных перегородок равно четырем, при этом они равномерно расположены по окружности ротора, а размер вертикальных перегородок в горизонтальной плоскости равен расстоянию от поверхности ротора до середины боковой стенки корпуса, в камерах нагрева сверху и снизу установленные решетки, в камеры нагрева введены сканеры, размещенные по обе стороны относительно оси камеры нагрева, при этом держатели сканеров имеют возможность вращения и вертикального перемещения.
Недостаток установки заключается в невозможности размещения в камере крупногабаритных изделий с размерами в несколько метров, характерных для конструктивных элементов авиационной и ракетной техники, водного транспорта и ветрогенераторных установок.
Известно устройство для электромагнитной обработки материалов, преимущественно древесины (патент RU №2101631, МПК F26B 3/347), включающее рабочую камеру с оснасткой для укладки высушиваемого материала и источник электромагнитного поля в виде не менее одного СВЧ-генератора с магнетроном, сопряженного с рабочей камерой посредством волноводного тракта и каналов подачи воздуха, отличающееся тем, что камера снабжена дверью и термоизоляцией, волноводный тракт подключен к рабочей камере посредством рупорных антенн, а оснастка выполнена с возможностью укладки высушиваемого материала в форме волновода.
Устройство обеспечивает обработку изделий с прямолинейной формой (плоских), в том числе длинномерных, собранных в пакет. Наличие неподвижного волноводного тракта с вводами рупорных антенн не позволяет обеспечить равномерное распределение плотности потока СВЧ энергии по поверхности изделия со сложной криволинейной формой.
Описанные технологические схемы и установки отличаются наличием СВЧ камеры, что не позволяет или затрудняет равномерную обработку крупногабаритных изделий с криволинейной поверхностью, и существенным термическим методом воздействия, приводящим к деструкции материала.
Особенность СВЧ модифицирования крупногабаритных объектов с криволинейной поверхностью состоит в трудности обеспечения равномерного воздействия микроволнового излучения по всей обрабатываемой поверхности с учетом отражения волны и максимальной глубины проникновения. Камеры резонаторного типа с бегущей и стоячей волной не позволяют сформировать электромагнитное поле с требуемой равномерностью распределения напряженности по камере необходимых размеров, к тому же произвольная форма объекта, изменяющаяся от изделия к изделию, приводит к тому, что различные его области оказываются в зонах с различной напряженностью Е и Н волны. Изменить положение пучностей волн практически невозможно при использовании резонаторной схемы.
Наиболее приемлемы для обработки крупногабаритных изделий камеры лучевого типа с ограниченным и с неограниченным объемом. При этом используются схемы с неподвижным расположением изделия под одним протяженным рупорным излучателем или под расположенными на определенном расстоянии несколькими излучателями. Однако, данные схемы реализуемы только для прямолинейных (плоских) объектов вследствие изменения условий падения, отражения и поглощения волны СВЧ электромагнитного поля при обработке объектов с криволинейной поверхностью.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является известное из научной литературы (Огурцов К.Н. Разработка методов расчета электротермических установок и математического моделирования процессов термообработки диэлектриков с большими объемами и поверхностями: автореф. дис. канд. техн. наук.: Саратов, 2004. - 18 с.) техническое решение реализации способа термической обработки изделий из диэлектрических материалов с большими объемами и поверхностями, для осуществления которого используется камера лучевого типа, в которой размещают несколько излучающих рупорных систем, расстояние между которыми выбирают таким, чтобы распределение суммарной поверхностной мощности было наиболее близко к равномерному при заданной геометрии антенны и расстояния от нее до поверхности обрабатываемого объекта.
Недостатками данного технического решения являются следующие. В камерах лучевого типа излучающие рупоры располагаются так, что выходной контур всех рупоров располагается в одной плоскости, что обеспечивает равномерное распределение мощности СВЧ излучения по плоской поверхности. Степень равномерности задается также расстоянием между рупорами. При этом в случае обработки объекта с криволинейной поверхностью расстояние до нее будет различным для разных излучающих рупоров, что приведет к изменению напряженности электромагнитного поля и, соответственно, существенному различию поглощенной материалом СВЧ мощности в разных участках поверхности. Таким образом, использование данного технического решения не позволяет осуществлять равномерную обработку крупногабаритных изделий со сложной формой поверхности с обеспечением требуемого модифицирующего эффекта.
На основании изложенного рациональной для СВЧ обработки крупногабаритных объектов с криволинейной поверхностью следует признать камеру лучевого типа с неограниченным объемом, в которой рупорный излучатель совершает сложное управляемое сканирующее движение, эквидистантное обрабатываемой поверхности.
Техническая проблема настоящего изобретения состоит в необходимости равномерного модифицирующего воздействия СВЧ электромагнитного поля на крупногабаритные изделия со сложной криволинейной поверхностью из полимерных композиционных и других диэлектрических материалов.
Поставленная проблема решается тем, что в установке с камерой лучевого типа с неограниченным объемом излучающий рупор установлен с возможностью согласованного программно управляемого перемещения как минимум по трем взаимно-перпендикулярным осям и поворота относительно одной из горизонтальных осей, установлены бесконтактный измеритель расстояния от плоскости раскрыва излучающего рупора до обрабатываемой поверхности и бесконтактный измеритель температуры поверхности изделия в зоне воздействия СВЧ электромагнитного поля. Источник питания излучающего рупора, механизмы его перемещения и система управления установкой смонтированы на подвижной тележке, управление движением которой представляет собой одну из двух горизонтальных осей координат и выполнено в виде четырех поворотных колесных опор, соединенных попарно с рулевыми машинками, а движитель тележки по данной оси имеет привод от шагового электродвигателя и расположен в ее центре симметрии. Механизм перемещения излучающего рупора может быть выполнен в виде мехатронной системы с пятью степенями подвижности.
Эта схема отличается сложной кинематикой с программируемыми перемещениями рупора по трем осям координат с дополнительным качательным движением. Однако она универсальна, т.к. современные системы ЧПУ позволяют реализовать любой алгоритм движения.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами Фиг. 1-5. На Фиг. 1 представлена структурная схема установки, на Фиг. 2 - электронная модель, на Фиг. 3 - реализованный макетный образец. Режимы работы установки поясняются схемами Фиг. 4 и Фиг. 5. На Фиг. 4 показаны возможные траектории перемещения излучающего рупора при обработке изделия. На Фиг. 5 показан пример перемещения рупора при обработке криволинейной поверхности изделия.
На Фиг. 1 и Фиг. 2 обозначено: 1 - рупорный излучатель; 2 - СВЧ генератор; 3 - шаговый двигатель и механизм поворота излучателя в вертикальной плоскости (ось R); 4 - реле включения СВЧ генератора; 5 - шаговый двигатель и механизм вертикального перемещения по оси Z; 6 - блок драйверов шаговых двигателей; 7 - плата сопряжения; 8 - шаговый двигатель и механизм горизонтального перемещения по оси Y; 9 - шаговый двигатель и механизм горизонтального перемещения по оси X; 10 - базовый модуль установки (тележка); 11 - ноутбук; 12 - блок электропитания систем установки; 13 - управляемые колесные опоры; 14 - рулевая машинка.
Пример исполнения установки.
Установка представляет собой мобильный дистанционно программируемый робототехнический комплекс, имеющий модульное исполнение. Все модули смонтированы на тележке из прямоугольных труб сечением 40×30 с толщиной стенки 2-3 мм. Тележка имеет две пары рулевых опорных колес, поворачивающихся при помощи двух рулевых машинок (механизм управления направлением движения тележки) в противоположном направлении, что обеспечивает высокую мобильность и разворот на месте.
На тележке смонтирован привод горизонтального перемещения в продольном направлении относительно обрабатываемого изделия (координата X). Привод включает шаговый двигатель с редуктором и ведущее обрезиненное колесо, расположенное в средней точке тележки. Благодаря такой конструкции обеспечивается разворот вокруг центральной оси при срабатывании рулевых машинок.
Привод тележки обеспечивает программируемое перемещение параллельно обрабатываемому изделию и движение по цеховому помещению от одной рабочей позиции к другой. При применении установки реализуется технологическая схема с неподвижными изделиями, размещенными на монтажных стапелях, и подвижным оборудованием, перемещающимся от изделия к изделию.
На тележке установлена сварная рамная конструкция из прямоугольных труб сечением 40×20 мм и платики для установки СВЧ генератора питания излучающей рупорной антенны. На рамной конструкции установлен стол с шаговым двигателем, представляющие собой механизм горизонтального перемещения излучателя в направлении перпендикулярно поверхности изделия (координата Y). На столе размещен механизм вертикального перемещения излучающего рупора (координата Z), представляющий собой телескопическую опору с устройством вывешивания рупора, шариковую винтовую пару и шаговый электродвигатель. Рупор размещен в качающейся подвеске, связанной с шаговым двигателем, представляющей собой механизм управляемого качания излучателя (координата R).
СВЧ технологический модуль представляет собой серийную микроволновую установку «Жук-2-02» разработки и производства ООО НЛП «АгроЭкоТех» (г.Обнинск, Калужской обл.). Излучающий рупор расположен в качающейся подвеске и соединен с СВЧ генератором экранированным кабелем.
Во всех шаговых приводах применены пятифазные редукторные шаговые двигатели Autonics серии AK-G типоразмера 85 с максимальным моментом 20 Н.м и числом оборотов 0-280 об/мин. Двигатели управляются контроллерами типа MD-5 -ND-14.
Модуль питания и управления состоит из драйверов шаговых электродвигателей, реле включения СВЧ источника, платы сопряжения.
Для программирования циклами работы установки достаточно ноутбука среднего класса, программа управления установкой может быть реализована на базе стандартного программного обеспечения современных 5-и координатных металлорежущих станков. В данном случае 4-е координаты непосредственно задействованы в обеспечении согласованных перемещений излучающей рупорной антенны, 5-я координата используется для включения и выключения СВЧ генератора. Установка работает следующим образом.
Общий порядок настройки и выполнения операций неизменный для всех обрабатываемых объектов. Отличия касаются установки изделий в зависимости от их профиля и размеров.
Проверяют заземление Установки.
Проверяют целостность экранирующей оболочки СВЧ кабеля, соединяющего источник питания с блоком излучателя, экранирующего покрытия защитного экрана. При видимых нарушениях (трещины, отслоения от стенок, осыпание из-за деструкции покрытия, разрывы и другие повреждения оболочки и т.п.) работа на Установке запрещается до устранения отклонений.
Раскрывают и закрепляют над обрабатываемым изделием защитный экран, оставив вход с одной стороны.
Включают ноутбук и осуществляют вход в программу «СВЧ».
В диалоговом окне устанавливают значения позиционирования излучающей рупорной антенны по осям X, Y, Z и R в соответствии с габаритными размерами обрабатываемых изделий. Также программируют траектория движения рупора в соответствии со схемами (Фиг. 3 и Фиг. 4).
В диалоговом окне устанавливают один из режимов шаговых двигателей: «ДИСКРЕТНО» или «НЕПРЕРЫВНО». В случае выбора режима «ДИСКРЕТНО» устанавливают значение перемещения излучающей рупорной антенны на каждом шаге с учетом перекрытия не более 2-5 мм. В случае выбора режима «НЕПРЕРЫВНО» устанавливают скорости перемещения излучающей рупорной антенны в соответствии с размерами и формой изделия.
Основным программируемым циклом работы Установки является следующий. В режиме ручного управления с ноутбука тележка Установки перемещается к очередному изделию, подлежащему обработке, и останавливается в определенной заранее нулевой (исходной) точке. Излучающий рупор перемещается по оси Y с целью обеспечения требуемой дистанции. Включается СВЧ генератор. После отработки заданного времени облучения (рекомендуется 1-2 минуты) рупор перемещается в очередное положение в соответствии с запрограммированной по одной из схем (Фиг. 3) траекторией. Если изделие имеет криволинейный профиль, то дополнительно одновременно с перемещением по оси Z или X (в зависимости от схемы) осуществляется перемещение по осям Y или R. По умолчанию в программном обеспечении управления Установкой реализуется первая схема перемещения рупора (Фиг. 4а). В этом случае перемещение по оси X обеспечивается ходовой частью тележки, а криволинейная траектория формируется работой рулевых машинок.
После прохода по всей длине изделия излучающий рупор переходит в следующее положение по оси Z и цикл повторяется, пока не будет покрыта вся поверхность изделия.
На панели управления СВЧ генератора при помощи таймера задается суммарное время обработки с учетом времени на перемещение излучающего рупора с позиции на позицию.
об
об
Время облучения t изделий малых размеров (площадью не более площади раскрыва излучающей рупорной антенны) устанавливают на основе проведенных экспериментальных исследований в зависимости от физико-механических и электрофизических свойств обрабатываемого материала. Применительно к углепластикам t - 2 мин. Указанное время облучения представляет собой машинное время обработки изделия.
Время обработки крупногабаритных изделий с площадью более площади раскрыва излучающего рупора вычисляется по формуле:
об
где t - время облучения, изделия малых размеров; L, и l - длина изделия и длина излучающего рупора в плоскости раскрыва соответственно; Н и h - высота изделия и высота излучающего рупора в плоскости раскрыва соответственно.
Затем закрывают полог защитного экрана с торцовой стороны. Оператор отходит от Установки на расстояние 4-5 м и в диалоговом окне ноутбука выбирает команду «ПУСК». После этого все механизмы обеспечат позиционирование излучающего рупора в заданную точку при помощи шаговых приводов, антенна переместится на требуемое расстояние от поверхности изделия, на магнетрон с задержкой 5-10 с будет подано питание и начнет осуществляться процесс обработки, на блоке питания Установки загорится красная сигнальная лампочка «Работа».
Экспериментальная проверка действующего макета установки позволила получить следующие результаты.
Предварительно для оценки влияния кривизны профиля обрабатываемого объекта на результаты СВЧ воздействия применяли изменение расстояния от поверхности плоского образца до среза излучающего рупора, которое измеряли при помощи штангенциркуля с точностью измерений 0,1 мм. За фиксируемый параметр принимали среднюю температуру на передней и задней поверхностях образца. Результаты определения температуры в зависимости от расстояния во время предварительных опытов представлены в табл. 1 и 2.
Видно, что при изменении расстояния от поверхности образца до плоскости раскрыва на 50 мм температура образца изменяется практически в 2 раза, при изменении расстояния на 200 мм - в 3 раза. При размерах большинства силовых конструкций и элементов обшивки летательных аппаратов в несколько метров изменения в 50-100 мм вполне вероятны, что согласно полученным данным может привести к двухкратному уменьшению поглощенной мощности СВЧ электромагнитного поля и соответствующей неоднородности воздействия, что не позволит адекватно модифицировать структуру изделия для требуемого уровня упрочнения. Расстояние до плоскости раскрыва в самой ближней зоне образца приняли равным 50 мм.
Результаты измерения температуры криволинейного образца при перемещении излучающей рупорной антенны эквидистантно поверхности представлены в табл. 2. Видно, что максимальное отклонение значений температуры поверхности образца не превышает в разных его точках 9%.
Для оценки возможности обработки протяженных изделий изготовили криволинейный образец длиной 1000 мм. Обработку осуществляли путем периодического перемещения образца на 250 мм с поворотом при наличии кривизны профиля изделия. Обеспечивалось перекрытие зон облучения на (10-20) мм. После испытаний на растяжение образцов, вырезанных из различных областей, установлены значения максимальной нагрузки, соответствующей моменту разрушения образца, от 980 до 1100 Н. Таким образом, разброс значений составил 12,2%, что является хорошим показателем. Сравнительные испытания на растяжение образца, обработанного путем его перемещения относительно излучающей рупорной антенны без поворота последней и сближения с поверхностью в области кривизны показали разброс значений максимальной разрушающей нагрузки от 750 до 1200 Н, что составило 60%.
Тем самым решается поставленная проблема - обеспечивается равномерное воздействие СВЧ электромагнитного поля на армированные углеродным волокном полимерные композиционные материалы в составе окончательно сформированных и обработанных крупногабаритных изделий любой сложности формы, обеспечивающее требуемые параметры технологического воздействия, когда невозможно технически использовать известные камерные СВЧ технологические установки.