Эффективность управления процессом электронно-лучевой сварки во многом зависит от организации структуры системы управления (СУ) и информационного обеспечения. С позиций управления можно выделить следующие основные классы структур современных систем управления процессом электронно-лучевой сварки: децентрализованную, централизованную, централизованную рассредоточенную и иерархическую.
Автоматизация технологического процесса электронно-лучевой сварки, охватывающей большой комплекс физических и химических процессов, на базе компьютерной технологии открывает новые возможности управления. С развитием микропроцессорных устройств и локальных вычислительных сетей появилась возможность создания целостных технологических систем обработки данных технологического процесса электронно-лучевой сварки, базирующихся на принципах комплексной автоматизации основных и вспомогательных технологических операций, лёгком и удобном интерфейсе оператора-сварщика к информационным и вычислительным ресурсам.

Вычислительный потенциал СЧПУ типа PCNC, реализованной на базе компьютера промышленного исполнения, обеспечивает возможность интеграции функций проектирования технологии в машинном масштабе времени и управление процессом обработки детали в реальном масштабе времени. Объединение функций проектирования технологии и управления осуществляется на основе принципа структурно-функциональной интеграции, который заключается в образовании единой иерархической структуры управления технологическим оборудованием.

К основным свойствам и особенностям СЧПУ типа PCNC можно отнести:
- наличие многооконного эргономического интерфейса пользователя с цветной объемной графикой;
- поддержание развитого CAD-CAM интерфейса (CAD - система автоматизированного проектирования, CAM - система технологической подготовки и управления);
- размещение в системе резидентных средств автоматизированной или автоматической разработки управляющей программы;
- согласование работы системы с другими управляющими устройствами через канал последовательной передачи данных по стандартному протоколу;
- проектирование технологии на основе наукоемких математических моделей, использование большого набора стандартных программных средств (зкспертные системы, системы управления базами данных и знаний);
- хранение на диске архива файлов управляющей программы, корректоров и параметров;
- организация модулей технического диагностирования и прогнозирования состояния элементов технологической системы.

Мультипроцессорная пространственно распределённая СУ с обменом информацией по локальной вычислительной сети, представленная на рисунке 1, включает:
- устройства локальной автоматики: регуляторы параметров энергетического комплекса, интерполяторы, сервоприводы двигателей, усилители постоянного и переменного тока, средства программируемых микропроцессорных управляющих устройств: промышленные компьютеры, программируемые логические контроллеры;
- устройства связи с объектом: модули цифроаналогового и аналого-цифрового преобразования, адаптеры различных устройств, модемы, модули преобразования интерфейсов RS232/RS485;
- устройства связи с оператором-сварщиком: видео-контрольное устройство, панели управления вакуумных станций, панель ручного управления параметрами энергетического комплекса, индикаторы, сигнализаторы аварийных и внештатных ситуаций.
- датчики сигналов физических величин: тока сварки (Ic), тока фокусировки (Iф), токов отклонения луча по оси Х (Ix) и оси Y (Iy); текущего положения по интерполяционным координатам механических перемещений (X, Y, Z, A, B, C, U, W); давления в насосах, катодном узле пушки и в рабочей камере; температуры охлаждающей воды; положения тележек, двери камеры и прочее.

Структурная схема современной мультипроцессорной системы управления

Структурная схема современной мультипроцессорной системы управления
установки для электронно-лучевой сварки

В зависимости от степени автоматизации различают ручное, автоматизированное и автоматическое управление.
Автоматизированная система управления – это человеко-машинная система, обеспечивающая автоматизированный сбор, обработку информации о технологическом процессе, выдачу управляющих воздействий в контуры регулирования.

Автоматическая система управления представляет собой совокупность управляющих устройств и объектов управления, взаимодействующих без участия человека.
Применение систем автоматизированного и автоматического управления позволяет добиться существенного повышения качества сварных соединений, расширить технологические возможности установок, обеспечить высокую воспроизводимость процесса, повысить производительность труда и надежность функционирования установки.

Подготовка управляющей программы (УП) сварки представляет собой довольно трудоёмкую операцию. Обычно оператор вручную выполняет геометрические и технологические расчёты с учётом технологической оснастки для составления программы.

Другой подход к разработке УП сварки предусматривает наличие в составе электронно-лучевой установки устройства распознавания стыка, которое позволяет реализовать режимы автоматизированного и автоматического обучения для подготовки управляющей программы сварки.

В режиме автоматизированного обучения оператор-сварщик вручную совмещает луч со стыком в ряде точек по траектории стыка, которые фиксируются в кадре управляющей программы. В результате в памяти СЧПУ формируется таблица механических перемещений манипуляторов пушки и изделия, которая дополняется необходимыми функциями: подачей, синхронизацией между осями и внешними управляющими устройствами, током отклонения луча и т.д.

В режиме автоматического обучения система управления с заданной периодичностью автоматически обеспечивает определение и запись в энергонезависимую память траектории стыка.
Таким образом, разработка УП выполняется непосредственно на установке с учётом точности базирования изделия в технологической оснастке. Процесс подготовки УП в этом случае более удобен, занимает значительно меньшее время.

Однако, во время процесса сварки возможны значительные тепловые деформации, для компенсации которых применяются системы активного слежения за стыком непосредственно в процессе сварки.
Например, система РАСТР обеспечивает режим активного наблюдения за сварочной ванной. Устройство вырабатывает сигнал нормализованный сигнал отклонения луча от стыка. СЧПУ имеет возможность компенсировать отклонение двумя способами: переключить сигнал на выбранный электрический привод, отключив контроль над указанной осью от СЧПУ; или изменить ток отклонения луча в необходимом направлении.

Схема управления технологическим процессом электронно-лучевой сварки в режиме активного слежения за стыком

Схема управления технологическим процессом электронно-лучевой сварки
в режиме активного слежения за стыком

Алгоритмы (последовательность технических операций, выполненная на языке математических и формул) и программное обеспечение разрабатываются на основе математического обеспечения, под которым понимается совокупность математических методов, моделей и алгоритмов, используемых при разработке и функционировании системы управления. Наряду с традиционным математическим аппаратом в последнее время всё большее применение находят методы робастного, нейро-нечёткого и адаптивного управления, которые позволяют найти решение в условиях неполного, нечёткого знания характеристик объекта управления и внешних условий протекания технологического процесса.

 Схема управления технологическим процессом электронно-лучевой сварки на базе математической модели расчёта тепловых деформаций в области сварочной ванны методом конечных элементов

Схема управления технологическим процессом электронно-лучевой сварки
на базе математической модели расчёта тепловых деформаций
в области сварочной ванны методом конечных элементов

При возникновении несоответствия между имеющимся объемом априорной информации и свойствах технологической системы, неразрешаемого другими методами управления, применяется адаптивное управление. В этом случае, неопределенность может быть уменьшена или устранена в результате активного воздействия текущей информации. Адаптивные системы управления делятся на следующие классы: самонастраивающиеся, самоалгоритмизирующиеся и самоорганизующиеся системы управления, в которых модели управления процессом электронно-лучевой сварки заданы соответственно с параметрической неопределенностью, с неизвестными отношениями между входными и выходными переменными и с неопределенной топологией.

Постановка задачи оптимизации технологической операции

Задача оптимизации процесса электронно-лучевой сварки предусматривает наличие трех основных элементов: математических проектирования операции, целевой функции и метода оптимизации. Математическая модель и целевая функция описывают все существенные для проектирования связи технических (точность сварки, качество шва), технических (стабильность параметров луча, кинематические возможности установки) и организационных (согласование времени работы разных электронно-лучевых пушек, манипуляторов) ограничений на искомые решения.

К настоящему времени разработано значительное число методик определения оптимальных параметров технологической операции, которые можно условно разделить на три группы по способам решения задачи: на условный экстремум, математического программирования, оптимального управления. Анализ приведенных методик показал, что наиболее эффективно представление задачи проектирования технологической операции как задачи оптимального управления, которая характеризуется свойствами декомпозиционности, иерархичности и многокритериальности. Для поиска оптимального варианта используются алгоритмы динамического программирования и определяются условия, которым должен удовлетворять оптимальный многошаговый процесс принятия решений.

Различают три вида оптимизации технологической операции электронно-лучевой сварки: структурную, параметрическую и структурно-параметрическую. Под структурной оптимизацией понимается определение оптимальной структуры операции (выбор кинематической схемы сварки, облегчение условий образования ванны и заварки кратера и др.).

Параметрическая оптимизация заключается в расчете оптимальных технологических параметров – режима сварки. Комплексный подход к оптимизации операции сварки позволяет сформировать набор параметров оптимизации, охватывающий все задачи проектирования.

Принцип оптимальности при проектировании операции сварки можно сформулировать следующим образом: определить такие значения искомых параметров (вектор Х), которые обеспечили бы наибольшую эффективность сварки при выполнении ограничений по точности и качеству шва, технологическим возможностям элементов Т-системы. Искомыми или выходными параметрами операции являются: режимы сварки; управляющая программа сварки. К исходным параметрам ММ проектирования операции сварки (вектор Z) относятся механические и теплофизические характеристики изделия, технические требования по точности и качеству шва, жесткость элементов технологической системы.

Оптимальные значения искомых параметров (Х) рассчитываются с учетом вектора критериев оптимизации (К), компоненты которого являются функциями исходных, фазовых и искомых параметров. Традиционно за составляющие вектора К принимают приведенные затраты, производительность обработки и качество сварки.

Анализ ряда работ по методам решения задач многоцелевой оптимизации показал эффективность построения структуры подсистемы оптимизации по модульно-иерархическому принципу. Разбиение подсистемы многоцелевой оптимизации на три уровня обусловлено сложностью рассматриваемой задачи. Нижний уровень подсистемы определяет способ задания и структуру множества альтернатив управляющих параметров ТО и соответствующее им множество частных критериев оптимизации. На среднем уровне подсистемы значительно сокращается допустимое множество вариантов выбора параметров ТО путем определения их эффективных (Парето-оптимальных) значений. Простейшим методом приближенного построения множества Парето можно считать ЛП-поиск. Численная реализация моделей этого уровня позволяет сформировать пакет эффективных решений. На верхнем уровне из этого пакета выбирается единственный наилучший вариант.

Механизм оптимального управления технологической
операцией электронно-лучевой сварки

К исходной информации (Z) относятся: параметры изделия (материал; размеры; коэффициенты теплопроводности и температуропроводности, теплоемкость), параметры, характеризующие технологическую систему.

В основу функционирования алгоритма оптимизации процесса положен аппарат ЛП - поиска - модификация метода случайного поиска, пригодный для решения задач нелинейного программирования при большой размерности многоцелевой функции. Метод осуществляет заполнение области возможных решений в многомерном пространстве параметров равномерно расположенными пробными точками: Q1 , Q2 ,... Qi ....

По декартовым координатам очередной точки ЛП – последовательности Qi = (qi, 1; , qi, n) вычисляем координаты точки выходных параметров

A(i) = (x1(i) , ... , xn(i)), хj = хjн + (xjв - хjн ) qi,j .

Для каждой точки исследуемого пространства параметров вычисляются значения всех частных критериев, по которым составляются таблицы испытаний.

Выбор критериальных ограничений позволяет на следующем этапе решения из таблиц испытаний определить множество альтернативных точек {A} и перейти к определению эффективных решений по Парето. Если множество {A} оказывается пуcтым, необходимо изменить критериальные ограничения.

Критериальные ограничения Кi сужают множество Dx (область допустимых значений параметров xj (j = 1, n)) и множество Dk (образ множества Dx в пространстве критериев Кn (n = 1, n)). На множестве альтернатив {A} в плоскости Dk определяем Парето-оптимальные решения.

Для выбора оптимального решения используется критерий Гурвица, позволяющий охватывать ряд различных подходов к принятию решений:

Q[ a, K(x) ] = min { ag min(an Kn, am Km ) + (1 - ag) max (an Kn , am Km ) }

где аn и аm - весовые коэффициенты; Кn и Кm - значения критериев, определяемые соотношениями естественной нормализации; ag - показатель оптимизма.

Решение задачи структурно-параметрической оптимизации, учитывая высокую размерность многоцелевой функции и нелинейность математической модели, необходимых для вычисления критериев и ограничений, возможно на современных компьютерах.

Область Парето характеризуется тем важным свойством, что на ней ни одно решение не может быть улучшено по одному из показателей без ухудшения по другому. Выделение области доминирующих решений значительно сокращает перечень возможных решений и тем самым облегчает выбор единственного решения. Для определения оптимальных решений используются диалоговый метод, использующий человеко-машинные процедуры, и алгоритмический, обеспечивающий выбор решений по заложенным в программе правилам без участия человека. Диалоговый метод обладает большей гибкостью, позволяющей инженеру оперативно учитывать формализованную постановку задачи оптимизации, т.е. изменять вид критериальных функций, ограничений и параметров.

Таким образом, анализ задачи оптимизации операции электронно-лучевой сварки позволяет сформулировать следующие выводы:

1. Проектирование технологической операции решается на двух уровнях: формирование структуры операции и параметрическая оптимизация процесса сварки. Параметрическую оптимизацию нельзя рассматривать автономно от структурной оптимизации всей операции.

2. В математическом отношении оптимальное проектирование в основном сводится к задаче нелинейного программирования. Методы их решения относятся к поисковым (итерационным) методам.

3. Решение задачи структурно-параметрической оптимизации операции сварки, учитывая высокую размерность многоцелевой функции и нелинейность ММ, необходимых для вычисления критериев и ограничений, возможно лишь с применением современных микропроцессорных устройств управления.