Установка для автоматизированной индукционной наплавки
Полезная модель направлена на повышение показателей качества наплавки и на расширение функциональных возможностей установки. Указанный технический результат достигается тем, что установка для автоматизированной индукционной наплавки содержит бункер с дозатором для подачи шихты, устройство для выравнивания поверхности шихты и индуктор, механизмы для их крепления и перемещения, устройства регулирования скорости перемещения механизмов, датчики положения механизмов, датчики температуры, датчик расстояния между индуктором и поверхностью расплава, датчик контроля качества наплавленной поверхности, транзисторный высокочастотный генератор и самонастраивающуюся систему управления. Система управления содержит связанные между собой программируемый логический контроллер и ЭВМ со специальным программным обеспечением. Программируемый контроллер связан с генератором, с устройствами регулирования скорости механизмов перемещения и с датчиками. 1 илл.
Предлагаемая полезная модель относится к автоматизации электротермической обработки и может быть использована для ремонтно-восстановительных работ и для упрочнения деталей и узлов железнодорожной, сельскохозяйственной, нефтегазовой, горнодобывающей, строительной и дорожной техники.
Известно автоматизированное устройство для индукционной наплавки (Транспорт Трение Технологии. Зайченко Ю.А., Косаревский В.В. УП «РИФТУР», Республика Беларусь, 2005 г., с.54-56), включающее источник питания, индуктор, датчик температуры, механизмы для крепления и перемещения изделия, а также систему управления. Известное устройство работает следующим образом. На поверхность изделия, закрепленного с помощью механизмов для перемещения, оператором засыпается и выравнивается шихта. Над шихтой устанавливается индуктор, выбор которого зависит от массы, геометрии, материала и электромагнитных свойств изделия, а также от состава и толщины шихты. Затем включается источник питания и производится наплавка при перемещении изделия относительно работающего индуктора. На вход системы управления от датчика температуры поступает информация о текущей величине температуры расплава. Система управления производит стабилизацию температурного режима процесса наплавки путем автоматического регулирования величины выходной мощности источника питания. Недостатком известного устройства является недостаточно высокая степень его механизации. Недостатком является недостаточно высокая степень автоматического регулирования процесса наплавки, при котором поддержание температуры расплава в требуемом диапазоне производится
системой управления в релейном режиме путем управления выходной мощностью источника питания. Указанное регулирование не является достаточным для обеспечения высокого качество наплавленного слоя, так как на температурный режим наплавки влияют и другие, неконтролируемые в известном устройстве технологические параметры.
Прототипом предлагаемого устройства является установка для автоматической индукционной наплавки (RU 2261160 С2, 24.10.2003, 7 В23К 2/08), содержащая бункер с дозатором для подачи шихты, систему управления и связанные с ней источник питания, индуктор, механизмы для крепления и перемещения изделия, индуктора и бункера, датчики положения механизмов для перемещения и датчики температуры. Устройство по прототипу работает следующим образом. Учитывая необходимую толщину наплавляемого слоя, оператор настраивает систему управления на определенный режим наплавки, задавая величину тока индуктора и время включения источника питания, а также время пребывания бункера с дозатором для подачи шихты в открытом состоянии. Изделие устанавливается в заданной зоне под бункером, после чего датчики положения механизмов перемещения бункера и изделия, передают информацию об окончании установки на вход системы управления, где принимается решение об открытии дозатора на заданное время, по истечении которого производится закрытие дозатора. Окончание закрытия дозатора фиксирует датчик положения механизма перемещения бункера, сигнал от которого поступает на вход системы управления. Система управления принимает решение о перемещении в зону наплавки индуктора, выбор которого зависит от массы, геометрии, материала и электромагнитных свойств изделия. Затем система управления подает команду включения источника питания. В процессе наплавки датчики температуры передают информацию о текущей величине температуры расплава на вход системы управления, которая осуществляет стабилизацию температурного режима путем автоматического регулирования величины
выходной мощности источника питания. Преимуществом устройства по прототипу по сравнению с известным устройством является более высокая степень его механизации, так как оно дополнено механизмами для перемещения индуктора и бункера. Преимуществом является также более высокий уровень автоматического регулирования процессом наплавки, который обеспечивается дополнительными датчиками положений механизмов для перемещения, связанными с системой управления. Указанные преимущества позволяют повысить показатели качества наплавки по сравнению с известным устройством, но уровень автоматизации устройства по прототипу не является достаточным для обеспечения высокого качества наплавленного слоя. Это объясняется, во-первых, тем, что система управления производит регулирование температуры расплава с помощью выходной мощности источника питания в релейном режиме, а во-вторых, тем, что не регулируются и не контролируются другие технологические параметры процесса наплавки, влияющие на качество наплавленного слоя.
В связи с указанными недостатками устройства по прототипу существует задача создания автоматизированной установки для индукционной наплавки с более высокой степенью механизации и автоматизации.
Поставленная задача решается следующим образом.
В установке для автоматизированной индукционной наплавки, содержащей источник питания, индуктор, бункер с дозатором для подачи шихты, механизмы для крепления и перемещения изделия, индуктора и бункера, датчики положения механизмов перемещения, датчики температуры, а также систему управления, связанную с источником питания, датчиками температуры и датчиками положения механизмов перемещения, источник питания выполнен в виде транзисторного высокочастотного генератора; система управления выполнена в виде программируемого контроллера и связанной с ним ЭВМ, которая оснащена
специальным программным обеспечением; при этом установка дополнена устройством для выравнивания поверхности шихты, механизмами для его крепления и перемещения и датчиком положения механизмов перемещения, связанного с программируемым контроллером; устройствами регулирования скорости механизмов перемещения изделия, индуктора, бункера и устройства для выравнивания поверхности шихты, которые связаны с программируемым контроллером и с механизмами перемещения; а также установка дополнена датчиком расстояния между индуктором и поверхностью расплава, и, по меньшей мере, одним датчиком контроля качества наплавленной поверхности, которые связаны с программируемым контроллером.
Технический результат от применения предлагаемого устройства состоит в повышении показателей качества наплавки и в расширении его функциональных возможностей по сравнению с устройством по прототипу.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в предлагаемой установке используется малогабаритный транзисторный высокочастотный генератор, 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. При этом конструкция согласующего устройства транзисторного генератора позволяет использовать генератор для работы на различную индукционную нагрузку, что расширяет его функциональные возможности по сравнению с устройством по прототипу.
Указанный технический результат достигается выполнением системы управления в виде программируемого контроллера и связанного с ним ЭВМ, что позволяет осуществлять самонастройку технологического процесса наплавки, расширяя функциональные возможности предлагаемого устройства по сравнению с устройством по прототипу. Это достигается наличием в ЭВМ разработанного авторами программного обеспечения в
виде численных моделей, разработанных на основании тепловых и электромагнитных математических моделей индукционного нагрева с учетом геометрических и электрических параметров индуктора, материала изделия, конфигурации наплавляемой поверхности изделия, а также с учетом состава и толщины шихты, оптимизационных и статистических программ. Программы оптимизации позволяют выявить степень влияния каждого изменяемого параметра технологического процесса наплавки на показатели качества наплавленного слоя и являются основой для статистических программ. Статистические программы содержат базы данных параметров наплавки для каждого изделия, которыми ЭВМ оперативно обменивается с программируемым контроллером. На основании баз данных контроллер производит управление механизмами перемещения изделия, индуктора, дозатора и устройства для выравнивания поверхности шихты, а также осуществляет плавное управление выходной мощностью источника питания. В процессе наплавки необходимая информация оперативно поступает от всех датчиков на вход контроллера и далее в базы данных ЭВМ.
Указанный технический результат достигается благодаря использованию дополнительного устройства для выравнивания поверхности шихты с устройством регулирования скорости перемещения указанного устройства, которое позволяет обеспечить постоянство толщины слоя нанесенной шихты, что улучшает показатели качества наплавки, в то время как выравнивание поверхности шихты, особенно на криволинейных поверхностях или поверхностях со сложной геометрией вручную, как это имеет место в устройстве по прототипу, не обеспечивает необходимой равномерности.
Указанный технический результат достигается благодаря использованию дополнительных устройств регулирования скорости механизмов перемещения изделия, бункера с дозатором для подачи шихты и индуктора, связанных с программируемым контроллером. Это объясняется
тем, что предлагаемая установка предоставляет возможность использовать для стабилизации температуры расплава автоматическое плавное регулирование скорости наплавки, которое производится однозначным ее заданием путем задания частоты вращения двигателя, в отличие от релейного регулирования в устройстве по прототипу. Дополнительное регулирование скорости перемещения изделия и скорости засыпки шихты позволяют повысить качество наплавки, особенно при наплавке криволинейных поверхностей.
Указанный технический результат достигается также благодаря использованию дополнительных датчиков. Датчик расстояния от индуктора до поверхности шихты в процессе наплавки передает на вход контроллера оперативную информацию о величине указанного расстояния, а система управления осуществляет автоматическое регулирование механизмами перемещения индуктора для поддержания указанного расстояния постоянным для обеспечения стабилизации температуры расплава. Датчик контроля качества наплавленной поверхности также в процессе наплавки передает на вход контроллера оперативную информацию о показателях наплавляемого слоя, а система управления осуществляет коррекцию в процессе наплавки необходимых параметров с помощью механизмов перемещения изделия или индуктора, или с помощью регулирования выходной мощности источника питания. Указанная возможность оперативного автоматического управления технологическим процессом наплавки по поступающим сигналам с датчиков позволяет повысить показатели качества наплавляемого слоя по сравнению с устройством по прототипу.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, на котором схематически изображена блок-схема автоматического управления установкой для индукционной наплавки.
На чертеже показано: 1 - ЭВМ; 2 - источник питания; 3 - индуктор; 4 - механизмы для крепления и перемещения индуктора; 5 - устройство
регулирования скорости перемещения индуктора; 6 - датчик положения механизмов перемещения индуктора; 7 - датчик температуры; 8 - устройство для выравнивания шихты; 9 - механизмы для крепления и перемещения устройства для выравнивания шихты; 10 - устройство регулирования скорости перемещения устройства для выравнивания шихты; 11 - программируемый контроллер; 12 - датчик расстояния от индуктора до поверхности шихты; 13 - датчик положения механизмов перемещения устройства для выравнивания шихты; 14 - бункер с дозатором для подачи шихты; 15 - механизмы для крепления и перемещения бункера; 16 - устройство регулирования скорости перемещения бункера; 17 - датчик положения механизмов перемещения бункера; 18 - датчик контроля качества наплавленной поверхности; 19 - изделие; 20 - механизмы для крепления и перемещения изделия; 21 - устройство регулирования скорости перемещения изделия; 22 - датчик положения механизмов перемещения изделия; 23 - система управления. На чертеже показан один датчик температуры 7 и один датчик контроля качества наплавленной поверхности 18.
Сущность предлагаемой установки для автоматизированной индукционной наплавки заключается в следующем.
Программируемый контроллер 11 и связанная с ним ЭВМ 1 представляют собой систему управления 23. Источник питания 2 связан с программируемым контроллером 11 и индуктором 3. Изделие 19, поверхность которого подлежит индукционной наплавке, устанавливается и перемещается с помощью механизмов 20, которые управляются программируемым контроллером 11 через устройство регулирования скорости перемещения изделия 21. Датчик положения 22 механизмов перемещения изделия 20 связан с входом программируемого контроллера 11. Бункер с дозатором для подачи шихты 14 устанавливается и закрепляется с помощью механизмов 15, которые управляются программируемым контроллером 11 через устройство регулирования
скорости перемещения бункера 16. Датчик положения 17 механизмов перемещения бункера 15 связан с входом программируемого контроллера 11. Устройство для выравнивания шихты 8 устанавливается и закрепляется с помощью механизмов 9, которые управляются программируемым контроллером 11 через устройство регулирования скорости перемещения устройства 10. Датчик положения 13 механизмов 9 связан с входом программируемого контроллера 11. Индуктор 3 устанавливается и закрепляется с помощью механизмов 4, которые управляются программируемым контроллером 11 через устройство регулирования скорости перемещения индуктора 5. Датчик положения 6 механизмов перемещения индуктора 6 связан с входом программируемого контроллера 11. Датчики температуры 7, датчик расстояния между индуктором и поверхностью расплава 12 и, по меньшей мере, один датчик контроля качества наплавленной поверхности 18 связаны с входом программируемого контроллера 11 системы управления 23.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Система управления 23 обеспечивает алгоритм работы установки. Для этого производится настройка системы управления 23, при которой первоначально определяются расчетным путем технологические параметры наплавки. Для этого все необходимые исходные данные, в частности, о материале и геометрии изделия, свойствах индуктора, а также о составе и толщине шихты заносятся в ЭВМ 1. ЭВМ 1 производит расчет параметров процесса наплавки по тепловой, электромагнитной и/или оптимизационной численной модели предстоящего индукционного нагрева. Результаты расчетов позволяют определить значение выходной мощности источника питания 2 и рабочего тока индуктора 3, которые необходимы для расплавления шихты, а также расстояние от индуктора 3 до поверхности шихты и скорость наплавки. Полученные значения параметров заносятся в первичную базу данных статистической модели в памяти ЭВМ 1 и передаются в программируемый контроллер 11 для обработки и
формирования управляющих сигналов на устройства регулирования скорости механизмов перемещения изделия 21, бункера 16, устройства для выравнивания шихты 10 и индуктора 5, а также на вход источника питания 2. Установка работает по принципу самонастраивающейся системы, при которой при первом цикле работы установки производится практическое определение степени влияния регулируемых параметров на показатели качества наплавленной поверхности. Первый цикл работы установки по программе системы управления 23 начинается с того, что с помощью механизмов 20 устанавливается изделие 1, поверхность которого подлежит наплавке. Датчик положения механизмов перемещения изделия 22 передает оперативную информацию на вход программируемого контроллера 11 о местоположении изделия. После окончания позиционирования изделия 19 на поверхность, подлежащую наплавке, с помощью механизмов перемещения 15 бункер с дозатором для подачи шихты 14 подводится к изделию 19 и производится засыпка заданного количества шихты при заданной скорости перемещения бункера 14. Датчик положения механизмов перемещения бункера 15 передает оперативную информацию на вход программируемого контроллера 11 о местоположении бункера. После окончания засыпки шихты с помощью механизмов перемещения устройства для выравнивания поверхности шихты 9 производится ее равномерное распределение по поверхности изделия 19, подлежащей наплавке. Датчик положения механизмов перемещения устройства для выравнивания поверхности шихты 13 передает оперативную информацию на вход программируемого контроллера 11 о местоположении устройства. После окончания выравнивания шихты с помощью механизмов перемещения 4 приводится в движение индуктор 3. Датчик положения механизмов перемещения индуктора 6 передает оперативную информацию о местоположении индуктора 3 на вход программируемого контроллера 11. После установки индуктора 3 в зоне наплавки по команде системы управления 23 от программируемого контроллера 11 производится
автоматическое включение источника питания 2. При этом устанавливается заданная величина выходной мощности источника питания 2 и рабочий ток заданной величины в индукторе 3. Затем начинается процесс наплавки при перемещении индуктора 3 с заданной скоростью с помощью устройства 5 относительно изделия 19 по заданной системой управления 23 траектории. Датчик положения механизмов перемещения индуктора 6 передает оперативную информацию о передвижении индуктора 6 на вход программируемого контроллера 11 системы управления 23. В процессе наплавки датчики температуры 7, датчик расстояния между индуктором и поверхностью расплава 12, и, по меньшей мере, один датчик контроля качества наплавляемого слоя 18, передают в программируемый контроллер 11 текущие значения соответствующих контролируемых ими параметров. По меньшей мере, один датчик контроля 18, следуя за индуктором 2, осуществляет оперативный неразрушающий контроль поверхности наплавленного слоя, например, ее волнистость, высоту и частоту или наличие других поверхностных дефектов. Возможно использование нескольких специальных датчиков контроля качества наплавки. В процессе наплавки программируемый контроллер 11 преобразует сигналы, полученные от датчиков 6, 7, 12, 13, 17, 18, 22 в цифровой формат и передает эти данные в ЭВМ 1, где они заносятся в базу данных, соответствующую данному наплавляемому изделию 19. Указанные 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 11, который производит необходимую корректировку работы механизмов перемещения 4, 9, 15, 20, скорости их перемещения с помощью устройств 5, 10, 16, 21 и
величины выходной мощности источника питания 2. При последующих циклах наплавки текущие значения с датчиков 6, 7, 12, 13, 17, 18, 22, поступая в систему управления 23, сравниваются с предыдущими их текущими значениями и также заносятся в базу данных. Таким образом, в памяти ЭВМ 1 формируется база данных по данному изделию 19, которая при последующих циклах наплавки 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 23 изменяет по определенному алгоритму значения параметров процесса наплавки и, определяя степень влияния каждого параметра при разных ситуациях на значение показателя качества наплавки, создает соответствующие базы данных технологических параметров статистической модели для последующей работы системы управления 23 в режиме самонастройки. В процессе наплавки на экране контроллера 11 высвечиваются текущие и заданные параметры режима наплавки, а на дисплее ЭВМ 1 - распределение температуры по сечению детали или иные необходимые оператору значения технологических параметров. После окончания первого цикла наплавки и остывания наплавленной поверхности с помощью, по меньшей мере, одного датчика контроля качества 18 производится неразрушающий контроль полученного наплавленного слоя посредством измерений. К дефектам относятся волнистость и наплывы, шлаковые включения, поры и ненаплавленные участки поверхности, а также отклонения по толщине наплавки. Возможны и иные специальные требования к наплавленной поверхности. После оценки показателей качества наплавленной поверхности в каждой ее точке, полученные значения заносятся через программируемый контролер 11 в базу данных ЭВМ 1 системы управления 23, в которой производится
необходимая корректировка значений регулируемых технологических параметров с помощью численных и оптимизационных моделей. Затем выполняется следующий цикл наплавки, в процессе которого происходит более тонкая настройка технологического процесса, и в результате окончательной отладки технологии наплавки система управления 23 представляет собой самонастраивающуюся систему, которая позволяет получить устойчиво хорошее качество наплавленного слоя на поверхности изделия.
Пример реализации изобретения
Производилась наплавка на кромки диска зубчатого, массой 12 кг, из материала сталь 65 Г. Поверхность под наплавку представляла собой плоскую поверхность зубьев шириной 125 мм и длиной 100 мм. В качестве наплавочного материала была выбрана шихта ПС-11-80 следующего состава: С - от 5% до 2%; Si - 2%; Mn - 0.3%; Cr - 49%; Ni - 1%; Сu - 1%; В - 0,9%; остальное - Fe, Na2 CO3, SiO2 и борный ангидрид. По численным тепловой, электромагнитной и оптимизационным моделям индукционного нагрева, указанного изделия, которые были установлены в памяти PC-совместимого компьютера, были рассчитаны предварительные технологические параметры процесса наплавки. После отладки технологии были определены следующие оптимальные параметры: необходимая толщина шихты для наплавки - 2.5 мм; необходимая мощность для проплавления заданной толщины шихты - 45 кВт; скорость нагрева - 20 мм/с; зазор между индуктором и поверхностью шихты - 3 мм. Контроллер Mitsubishi FX2NC с дополнительными интерфейсными модулями и модулями для подключения аналоговых датчиков был запрограммирован для управления данными технологического процесса. В качестве источника питания использовали малогабаритный высокочастотный транзисторный генератор ВГТб-60/66 фирмы ФРЕАЛ мощностью 60 кВт, частотой 66 кГц и весом 70 кг. Генератор и датчики соединили с входами программируемого контроллера, а механизмы перемещений через устройства для
регулирования скорости - с его выходами. Для указанного изделия, учитывая его геометрию, электромагнитные свойства и геометрическую форму, выбран индуктор проходного типа шириной 40 мм овальной формы. Индуктор установили на расстоянии 3 мм от поверхности шихты. Указанное расстояние контролировалось с помощью датчика - лазерного дальномера с унифицированным выходом. Датчиком температуры служил пирометр спектрального отношения, который был установлен на расстоянии 70 см от наплавляемой поверхности. В качестве датчика оперативного контроля качества был установлен лазерный дефектоскоп.
После отладки технологии система управления предлагаемой установки работала как самонастраивающаяся система и обеспечивала необходимые показатели качества процесса наплавки. Таким образом, функциональные возможности предлагаемой установки для обеспечения процесса автоматизированной индукционной наплавки выше возможностей устройства по прототипу.
Установка для автоматизированной индукционной наплавки, содержащая источник питания, индуктор, бункер с дозатором для подачи шихты, механизмы для крепления и перемещения изделия, индуктора и бункера, датчики положений механизмов перемещения, датчики температуры, а также систему управления, связанную с источником питания, датчиками температуры и датчиками положений механизмов перемещения, отличающаяся тем, что источник питания выполнен в виде транзисторного высокочастотного генератора; система управления выполнена в виде программируемого контроллера и связанной с ним ЭВМ, которая оснащена специальным программным обеспечением; при этом установка дополнена устройством для выравнивания поверхности шихты, механизмами для его крепления и перемещения и датчиком положения механизмов перемещения, связанного с программируемым контроллером; устройствами регулирования скорости механизмов перемещения изделия, индуктора, бункера и устройства для выравнивания поверхности шихты, которые связаны с программируемым контроллером и с механизмами перемещения; при этом установка дополнена датчиком расстояния между индуктором и поверхностью расплава, и, по меньшей мере, одним датчиком контроля качества наплавленной поверхности, которые связаны с программируемым контроллером.
