Автоматизированная система управления процессом высокочастотной сварки изделий из пластмасс сложной формы

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.

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 С_v. 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 U_p1 от ВЧ-генератора приложено к электродам 3 и 4, образующим рабочий конденсатор С_р1. Напряжение U_p2 между внутренними электродами 7 и высокопотенциальным электродом 3, образующими рабочий конденсатор С_р2, наводится полем электродов 8 и 3. Таким образом конденсаторы С_р2 и С_v оказываются включенными последовательно.

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 С_р1 и С_р2.

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

1)

где

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 С_v регулировать напряжение U_p2 на рабочем конденсаторе C_p2, а, следовательно, и удельную мощность р₀₂, независимо от приложенного напряжения U_p1. 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 C_p1 еще один конденсатор постоянной емкости C_v1. Тогда полная электрическая схема технологического устройства будет иметь вид, представленный на рис.3.

Тангенс угла диэлектрических потерь термопластов, как правило, незначителен: tgσ < 0,3. Это позволяет считать, что напряжения U′_p1, U_в, U_v1, а также U_p2, U′_в, U_v2 распределяются обратно пропорционально их емкостям [6]:

2)

3)

причем

4)

Емкости рабочих конденсаторов C_p1 и C_p2 могут быть выражены через легко контролируемые параметры U_v1 и U_v2:

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

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 U_p1=const. (Здесь р – общая удельная мощность при сварке одновременно в двух соединениях). Уравнение (7) показывает способ управления общей удельной мощностью р путем изменения емкости C_v1.

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 = р – р01,	—	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 U_p1) и производили сварку крышки с корпусом по периметру в поле электродов рабочего конденсатора С_p1, контролируя мгновенные значения U_v1(τ) и I_ао(τ) и одновременно вычисляя по уравнению (6) зависимость р₀₁(τ). Момент окончания цикла сварки (оптимальное время сварки (τ_св) определяли на основании предварительного расчета как время достижения в сварном шве температуры текучести термопласта по следующей методике.

Рабочий конденсатор С_p1 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):

На внешних границах электродов теплообмен с окружающей средой пренебрежимо мал:

11)

На границах слоев температуры и тепловые потоки равны:

12)

13)

Удельная мощность p_i отлична от нуля только для термопласта:

14)

Для определения оптимального времени сварки τ_св 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 , учитывали дополнительное условие:

15)

Здесь

Условие (15) задает оптимальную глубину прогрева околошовной зоны , 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.

Объект управления включает в себя ВЧ-генератор, пресс, между плитами которого размещается технологическое устройство, а также выпрямитель генератора. Напряжения U_р1, U_v1, U_v2 и ток I_ао 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 E_а) и автоматически включается программный регулятор мощности. Одновременно расчетный блок микроконтроллера получает сигнал «Запуск расчета C_р2(τ)». По поступающей из объекта информации – текущих параметрах U_р1(τ) и U_v2(τ) – начинается вычисление действительного значения емкости рабочего конденсатора C_р2 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 C_р2. Конструкция конденсатора C_р2 (рис.2) соответствует системе электродов «ребро против плоскости», емкость которой без материала C_р02 может быть найдена из выражения [8]:

17)

где

Здесь

Емкость рабочего конденсатора с материалом C_р2 вычисляется по формуле

18)

где

В расчетном блоке 2 на основе сравнения значений C_р2, 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), k_p и k_об блоком 3, а блоки 1 и 2 отключаются. Блок 3 по поступающей из объекта информации о текущих параметрах U_v1(τ), U_v2(τ), I_ао(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 k_об и регулятора k_p:. До окончания расчета k_об ключ К2 замкнут по управляющему сигналу от элемента НЕ. В момент поступления в регулятор мощности информационного сигнала «kр» ключ К2 размыкается – коэффициент k_p, 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 ΔE_упр после суммирования со значением E_упр0, соответствующим номинальному значению емкости , подается на вход регулируемого источника постоянного напряжения (ИН). ИН вырабатывает напряжение смещения U_см, необходимое для управления работой электронного исполнительного механизма (ИМ). В качестве исполнительного механизма (конденсатора C_v2 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 ΔC_v2.

По истечении заданного времени сварки τ_св по сигналу от регулятора мощности производится автоматическое отключение режима «НАГРЕВ» ВЧ-генератора и автоматически запускается реле времени РВ на время выдержки τ_выд готового изделия под прессом для охлаждения. По истечении времени τ_выд 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 ΔC_v2 является автономным и на мощность p₀₁ не влияет. Все звенья рассмотренной системы безынерционны. Связь между отдельными звеньями выражается соотношениями: ΔE_упр=k_p·Δp, ΔU_см=k₁·ΔE_упр, ΔC_v2=k₂·ΔU_см. Здесь k_p – 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 (ΔT_пл=±6°С) и высокой температурой этого перехода (T_тек=225°С, T_р=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, U_p1=1200 В, f=27,12 МГц, C_в=65 пФ, C′_в=16 пФ, C_v1=31 пФ, C_p1=11,5÷26,0 пФ, C_p2=2,8÷6,4 пФ, =4,1 пФ, V₁=2112 мм³, =520 мм³, τ_св=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.