Вы здесь

Автоматизированная система управления процессом высокочастотной сварки изделий из пластмасс сложной формы

Авторы: 
Н.В. Трофимов, Ю.П. Юленец, А.В. Марков

Высокочастотная (ВЧ) сварка термопластов хорошо зарекомендовала себя в промышленной практике. Основным преимуществом метода является 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 [1,2]. Вместе с тем технология ВЧ-сварки пластмасс разработана в основном для соединения деталей в изделиях простой формы. Однако, 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, как, впрочем, 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.

Рис.1 Внешний вид деталей изделия сложной формы:
1 – крышка, 2 – корпус, 3 – перегородка

В настоящей работе задача управления режимом сварки в изделиях из пластмасс сложной формы решается на основе применения АСУ.

На рис.1 представлен внешний вид типового изделия сложной формы. Здесь сварке (за один сварочный цикл) подлежат соединения: внешнее – «крышка 1 – корпус 2» (по периметру) и внутреннее – «крышка 1 – перегородка 3». Перегородкой 3 корпус 1 делится на два отсека, которые должны быть герметично изолированы друг от друга. До настоящего времени соединение «крышка – корпус» получают методом ВЧ-сварки, а соединение «крышка – перегородка» – склеиванием, что не обеспечивает надежной герметизации отсеков и резко снижает 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 двух внешних электродов, установленных по обе стороны свариваемых деталей – высокопотенциального 3 и заземленного 4, между которыми заключен вкладыш 5 из изоляционного материала – микалекса. 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 Сv. Для концентрации напряженности поля вблизи соединения «перегородка – крышка» электроды 7 выполнены разновысотными – высота стенок электродов, прилегающих к перегородке, меньше высоты корпуса приблизительно на толщину корпуса, а противоположные стенки электродов ниже корпуса не менее, чем на пятикратную его толщину. Напряжение Up1 от ВЧ-генератора приложено к электродам 3 и 4, образующим рабочий конденсатор Ср1. Напряжение Up2 между внутренними электродами 7 и высокопотенциальным электродом 3, образующими рабочий конденсатор Ср2, наводится полем электродов 8 и 3. Таким образом конденсаторы Ср2 и Сv оказываются включенными последовательно.

Рис.2 Технологическая оснастка для высокочастотной сварки деталей изделия сложной формы:
1 – крышка; 2 – корпус; 3 – высокопотенциальный электрод; 4 – низкопотенциальный (заземленный) электрод; 5 – изоляционный вкладыш; 6 – перегородка; 7 – внутренние электроды; 8 – внешний (вспомогательный) электрод; 9 – сварной шов

Необходимым условием качественной сварки деталей корпуса и крышки, особенно существенным для термопластов с узким температурным интервалом вязко-текучего состояния, является равенство времен сварки в соединениях — времен достижения в каждом сварном шве температуры текучести термопласта.Чтобы добиться равенства времен сварки в отдельных соединениях, достаточно обеспечить равенство удельных мощностей р01 и р02 в объемах V1 и V2, занимаемых термопластом соответственно в рабочих конденсаторах Ср1 и Ср2.

Удельная мощность внутренних источников тепла, выделяющаяся в материале за счет его диэлектрических потерь, равна [3]:

1)

где

f частота ЭМ-поля;
ε0 абсолютная диэлектрическая проницаемость воздуха (вакуума);
ε′ относительная диэлектрическая проницаемость материала;
tgδ тангенс угла диэлектрических потерь материала;
T температура материала;
E средняя напряженность электрического поля в материале.

Электродные системы рассматриваемых рабочих конденсаторов отличны друг от друга по конфигурации; при этом электрическое поле в каждой из них существенно неоднородно. Расчет средней напряженности E представляет большие трудности в особенности в условиях зависимости диэлектрической проницаемости материала от температуры – уравнение (1). Используем в связи с этим подход, основанный на непосредственном определении мощности внутренних источников тепла по мгновенным электрическим параметрам генератора для ВЧ-нагрева, не требующий знания электрофизических свойств материала [4,5]. Конструкция сварочной технологической оснастки (рис.2) дает возможность с помощью конденсатора переменной емкости Сv регулировать напряжение Up2 на рабочем конденсаторе Cp2, а, следовательно, и удельную мощность р02, независимо от приложенного напряжения Up1. Для вывода соотношений, связывающих удельные мощности р01 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 включим последовательно с Cp1 еще один конденсатор постоянной емкости Cv1. Тогда полная электрическая схема технологического устройства будет иметь вид, представленный на рис.3.

Рис.3 Электрическая схема технологического устройства:
Cв – емкость изоляционного вкладыша между электродами 3 и 4; Cp1 – емкость рабочего конденсатора между электродами 3 и 4; Cv1 – емкость дополнительного конденсатора; C'в – емкость изоляционного вкладыша между электродами 7 и 3; Cp2 – емкость рабочего конденсатора между электродами 7 и 3; Cv2 – емкость подстроечного конденсатора

Тангенс угла диэлектрических потерь термопластов, как правило, незначителен: tgσ < 0,3. Это позволяет считать, что напряжения U′p1, Uв, Uv1, а также Up2, U′в, Uv2 распределяются обратно пропорционально их емкостям [6]:

2)

3)

причем

4)

Емкости рабочих конденсаторов Cp1 и Cp2 могут быть выражены через легко контролируемые параметры Uv1 и Uv2:

5)

Удельную мгновенную мощность р01 в первом соединении будем определять в режиме реального времени по мгновенным электрическим параметрам генератора [4,5]. С учетом (5) выражение для р01 записывается следующим образом:

6)

Здесь

хсв реактивное сопротивление элемента связи между контурами двухконтурного генератора;
ω угловая частота: ω = 2πf;
r1 сопротивление активных потерь в первичном (анодном) контуре; γ = α10, α0 и α1 – коэффициенты разложения в ряд импульса анодного тока генератора;
Iао постоянная составляющая анодного тока;
Сэ эквивалентная емкость генераторной лампы;
τ время.

Выражение для общей удельной мгновенной мощности p(τ) получается из анализа схемы на рис.3 и имеет вид:

7)

Нетрудно показать, что для обеспечения требуемого равенства р01=р02 достаточно добиться равенства р=р01 при условии Up1=const. (Здесь р – общая удельная мощность при сварке одновременно в двух соединениях). Уравнение (7) показывает способ управления общей удельной мощностью р путем изменения емкости Cv1.

Объемы термопласта в соединениях V1 и V2 существенно различны. При этом объем V1 в первом соединении при серийной сварке остается неизменным. Требуемое условием равенства времен сварки значение объема V2 во втором соединении (перегородка – крышка) заранее не известно. Значение V2 может изменяться от изделия к изделию (возмущение по начальным условиям) из-за колебаний межэлектродного расстояния d2, так как внутренние электроды 7 приходится каждый раз устанавливать в отсеках корпуса (после сварки они остаются в готовом изделии). Кроме того, в течение цикла сварки непрерывно изменяется средняя напряженность поля в материале, – как следствие зависимости ε′ термопласта от температуры. Таким образом задача управления режимом ВЧ-нагрева в изделии сложной формы для обеспечения равенства времен сварки в отдельных соединениях формулируется как задача программного регулирования общей удельной мощности по закону изменения удельной мощности в первом соединении в условиях действующих возмущений.

Уравнение объекта (ВЧ-генератора с технологическим устройством) имеет вид:

8)

где

Δр = рр01, отклонения переменных от их значений р01 и в номинальном режиме;
kоб коэффициент передачи объекта, зависящий от объемов V1 и V2: .

Для определения программного задания р01(τ) проводили эксперимент по сварке одного первого соединения. Для этого электроды 7 предварительно удаляли из отсеков корпуса (рис.2), задавали режим ВЧ-нагрева (напряжение Up1) и производили сварку крышки с корпусом по периметру в поле электродов рабочего конденсатора Сp1, контролируя мгновенные значения Uv1(τ) и Iао(τ) и одновременно вычисляя по уравнению (6) зависимость р01(τ). Момент окончания цикла сварки (оптимальное время сварки (τсв) определяли на основании предварительного расчета как время достижения в сварном шве температуры текучести термопласта по следующей методике.

Рабочий конденсатор Сp1 представлялся как многослойная пластина «металл (высокопотенциальный электрод 3) – изолятор (вкладыш 5) – свариваемый термопласт – металл (заземленный электрод 4)». Распределение температуры в каждом из контактирующих друг с другом слоев описывается уравнением нестационарной теплопроводности с внутренними источниками тепла:

9)

с начальным условием

10)

В уравнениях (9), (10):

T, Tн соответственно локальная и начальная температура;
x текущая толщина слоя;
xi координата границы слоя;
λ коэффициент теплопроводности;
cp удельная теплоемкость материала слоя;
ρ плотность материала слоя;
i номер слоя: 1 – металл, 2 – изолятор, 3 – термопласт, 4 – металл.

На внешних границах электродов теплообмен с окружающей средой пренебрежимо мал:

11)

На границах слоев температуры и тепловые потоки равны:

12)

13)

Удельная мощность pi отлична от нуля только для термопласта:

14)

Для определения оптимального времени сварки τсв уравнение (9) с условиями (10)-(14) решали численно методом конечных разностей при использовании полученной из эксперимента зависимости р01(τ). При этом, кроме заданного значения температуры в сварном шве Формула, учитывали дополнительное условие:

15)

Здесь

l толщина свариваемой детали;
xs координата сварного шва;
Tтек, Tр соответственно температура текучести и температура размягчения термопласта; β = 0,4-0,6.

Условие (15) задает оптимальную глубину прогрева околошовной зоны Формула, при которой в дополнение к высокой механической прочности соединения сварка пластмасс не сопровождается искажением формы соединяемых деталей [7].

Структурная схема АСУ процессом высокочастотной сварки изделий из пластмасс сложной формы представлена на рис.4.

Рис.4 Структурная схема АСУ процессом высокочастотной сварки изделий из пластмасс сложной формы

Объект управления включает в себя ВЧ-генератор, пресс, между плитами которого размещается технологическое устройство, а также выпрямитель генератора. Напряжения Uр1, Uv1, Uv2 и ток Iао контролируются непрерывно с помощью универсальных цифровых приборов В7-40. Работой установки управляет микроконтроллер.

Оператор вводит исходные данные в микроконтроллер, осуществляет загрузку технологического устройства деталями изделия, подлежащего сварке, в том числе устанавливает внутренние электроды в отсеки корпуса, подает давление на пресс, осуществляет пуск АСУ.

При пуске АСУ происходит автоматическое включение режима «НАГРЕВ» ВЧ-генератора (через выпрямитель анодного напряжения Eа) и автоматически включается программный регулятор мощности. Одновременно расчетный блок микроконтроллера получает сигнал «Запуск расчета Cр2(τ)». По поступающей из объекта информации – текущих параметрах Uр1(τ) и Uv2(τ) – начинается вычисление действительного значения емкости рабочего конденсатора Cр2 по зависимости, следующей из анализа схемы на рис.3:

16)

Результат вычислений по формуле (16) из блока 1 поступает в блок 2, предназначенный для определения действительного значения объема V2 термопласта в рабочем конденсаторе Cр2. Конструкция конденсатора Cр2 (рис.2) соответствует системе электродов «ребро против плоскости», емкость которой без материала Cр02 может быть найдена из выражения [8]:

17)

где

Здесь

ε′в относительная диэлектрическая проницаемость воздуха (ε′в = 1);
2a2 ширина высокопотенциального электрода;
b2 высота внутреннего электрода;
d2 межэлектродное расстояние;
l0 периметр высокопотенциального электрода.

Емкость рабочего конденсатора с материалом Cр2 вычисляется по формуле

18)

где

V2 объем термопласта;
Vв объем воздуха;
Vобщ общий объем;
ε′20 относительная диэлектрическая проницаемость термопласта при комнатной температуре.

В расчетном блоке 2 на основе сравнения значений Cр2, вычисленных по формулам (16) и (18), определяется действительное значение объема V2. По сигналу «Конец расчета V2» автоматически (через ключ К1) запускаются операции расчета p(τ), kp и kоб блоком 3, а блоки 1 и 2 отключаются. Блок 3 по поступающей из объекта информации о текущих параметрах Uv1(τ), Uv2(τ), Iао(τ) вычисляет удельную мгновенную мощность p(τ) по уравнению (7). Одновременно блок 3 по аналитической зависимости, полученной в результате дифференцирования выражения (7), определяет уточненные (с учетом найденного V2) значения коэффициентов передачи объекта kоб и регулятора kp:. До окончания расчета kоб ключ К2 замкнут по управляющему сигналу от элемента НЕ. В момент поступления в регулятор мощности информационного сигнала «kр» ключ К2 размыкается – коэффициент kp, так же как и объем V2, – величины, определяемые однократно.

Сформированный сигнал p(τ) поступает на вход регулятора мощности, где происходит его сравнение с программным заданием p01(τ). Сигнал рассогласования в виде напряжения постоянного тока ΔEупр после суммирования со значением Eупр0, соответствующим номинальному значению емкости , подается на вход регулируемого источника постоянного напряжения (ИН). ИН вырабатывает напряжение смещения Uсм, необходимое для управления работой электронного исполнительного механизма (ИМ). В качестве исполнительного механизма (конденсатора Cv2 по рис.3) применена реактивная лампа-пентод, изменяющая свою емкость при изменении напряжения смещения на управляющей сетке [9]. Регулятор компенсирует отклонение удельной мощности p(τ) от программного задания p01(τ) на протяжении всего цикла сварки путем автоматического изменения емкости реактивной лампы на величину ΔCv2.

По истечении заданного времени сварки τсв по сигналу от регулятора мощности производится автоматическое отключение режима «НАГРЕВ» ВЧ-генератора и автоматически запускается реле времени РВ на время выдержки τвыд готового изделия под прессом для охлаждения. По истечении времени τвыд по сигналу от РВ давление с прижимной плиты снимается, и оператор извлекает из пресса технологическую оснастку с готовым изделием.

Следует отметить, что автоматическая подстройка общей удельной мощности осуществляется только за счет изменения удельной мощности во втором сварном соединении, так как регулирующее воздействие ΔCv2 является автономным и на мощность p01 не влияет. Все звенья рассмотренной системы безынерционны. Связь между отдельными звеньями выражается соотношениями: ΔEупр=kp·Δp, ΔUсм=k1·ΔEупр, ΔCv2=k2·ΔUсм. Здесь kp – коэффициент передачи регулятора (П-регулятора), k1, k2 – коэффициенты передачи блоков ИН и ИМ.

Работоспособность АСУ опробована в опытно-промышленном производстве изделий сложной формы из полиамида-610 – термопласта, отличающегося очень узким интервалом вязко-текучего состояния (ΔTпл=±6°С) и высокой температурой этого перехода (Tтек=225°С, Tр=200°С). Режим сварки деталей толщиной 2 мм (толщина перегородки 2 мм) при толщине изоляционного вкладыша из микалекса 2,5 мм: сварочное давление F=0,5 МПа, Up1=1200 В, f=27,12 МГц, Cв=65 пФ, Cв=16 пФ, Cv1=31 пФ, Cp1=11,5÷26,0 пФ, Cp2=2,8÷6,4 пФ, =4,1 пФ, V1=2112 мм3, =520 мм3, τсв=13,5 с. Экспериментальная проверка показала высокое ( ~ 97%) качество полученных сварных соединений, которое оценивалось испытаниями изделия на герметичность путем подачи в отсеки корпуса сжатого воздуха с избыточным давлением 0,1 МПа.

Литература

  1. Волков С.С. Сварка и склеивание полимерных материалов. – М.: Химия, 2001. – 376 с.
  2. Федорова И.Г., Безменов Ф.В. Высокочастотная сварка пластмасс. – Л.: Машиностроение, 1990. – 80 с.
  3. Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников / А.В.Нетушил, Б.Я.Жуховицкий, В.Н.Кудин, В.П. Парини. – М. – Л.: Госэнергоиздат, 1959. – 480 с.
  4. Марков А.В. Автоматизированная система управления процессом высокочастотной сварки изделий из полиамида // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, 2006. - № 4. – С.10-13.
  5. Марков А.В., Юленец Ю.П. Многофункциональный контроль параметров технологического процесса в электротермической установке высокочастотного диэлектрического нагрева // Электротехника, 2007. - № 7. – С.60-64.
  6. Атабеков Г.И. Основы теории цепей. – М.: Энергия, 1969. – 424 с.
  7. Марков А.В. Метод прогнозирования качества сварки термопластов // Пластические массы, 2006. - № 5. – С.44-46.
  8. Иоссель Ю.Я., Кочанов Э.С., Струнский М.Г. Расчет электрической емкости. – Л.: Энергоиздат, 1981. – 288 с.
  9. Баркан В.Ф., Жданов В.К. Радиоприемные устройства. – М.: Советское радио. 1967. – 496с.
Категория: 
Сварка ТВЧ

Комментарии

Аватар пользователя Гость
Гость
13/07/2011 - 21:27
Подскажите пожалуйста, при Вашей методике сварки, именно показанного изделия, как удаляется внутренний электрод из готовой конструкции?
Аватар пользователя Nikolai
Nikolai
15/07/2011 - 21:29
Конструкция допускает наличие электрода внутри. После сварки, без разрушения корпуса внутренние электроды не представляется возможным извлечь.
Аватар пользователя Nikolai
Nikolai
15/07/2011 - 22:28
Задавайте вопросы на форуме.
Аватар пользователя Гость
Гость
07/08/2011 - 22:30
Спасибо за ответ, интересная разработка, но возможно ли связаться с Вами по e-mail. У меня есть несколько вопросов по аналогичной тематике. С уважением, Николай мой адрес: ifpister@gmail.com
Аватар пользователя Nikolai
Nikolai
07/08/2011 - 23:31
Регистрируйтесь на форуме и пообщаемся.

Добавить комментарий