Применение компьютерных технологий в сварочном производстве

Сварка как один из основных технологических процессов совре­менного машиностроения не осталась в стороне от широкого приме­нения новых информационных технологий и САПР (систем автома­тизированного проектирования).

САПР объединяет технические средства, математическое и про­граммное обеспечение. Под автоматизацией проектирования по­нимается такой способ выполнения процесса разработки проекта, при котором проектные процедуры и операции осуществляются разра­ботчиком изделия при тесном взаимодействии с ЭВМ, Автоматиза­ция проектирования предполагает систематическое использование средств вычислительной техники при рациональном распределении функций между проектировщиком и ЭВМ и при обоснованном вы­боре методов машинного решения задач. Рациональное распределе­ние функций между человеком и ЭВМ подразумевает, что человек должен, в основном, решать задачи творческого характера, а ЭВМ -задачи, допускающие формализованное описание в виде алгоритма, что позволяет достичь большей эффективности по сравнению с тра­диционным ручным способом.

Существенное преимущество машинных методов проектирования состоит в возможности проводить на ЭВМ эксперименты на матема­тических моделях объектов проектирования, отказавшись или зна­чительно сократив дорогостоящее физическое моделирование. Ком­пьютеризация охватывает практически все сферы научно-техничес­кой и инженерной деятельности в сварочном производстве. Схема основных направлений использования в сварке САПР на основе ком­пьютерных средств представлена на рис. 4.63

Важным направлением САПР является моделирование на основе численных методов и метода конечных элементов.

Компьютерное моделирование широко применяется для описа­ния физических процессов, протекающих в условиях ускоренного нагрева и охлаждения металла при сварке. В качестве математичес­кой основы для современных вычислительных комплексов инженер­ного анализа в последнее время успешно применяется метод конеч­ных элементов (МКЭ). Пример компьютерного разбиения детали на конечные элементы представлен на рис. 4.64.

Такие вычислительные комплексы оформлены в отдельное направ­ление развития компьютерных технологий, получившее название САЕ-системы (САЕ-технологии). В сфере сварки, например, разра­ботан мощный программный комплекс MscMarc.

На начальной стадии при­менения МКЭ решали зада­чи нестационарной тепло­проводности (рис. 4.65), что позволяло делать вывод об изменении свойств металла зоны термического влияния (ЗТВ) в зависимости от режи­мов сварки или резки. При этом рассчитывались и разме­ры участков ЗТВ с различны-' ми структурами.

Развитие компьютерного моделирования в настоящее время связана во многом с изучением сварочных деформаций

 

Рис. 4.64

твердотельная время связано во многом с модель детали, разбитой на конечные элементы.

 

 

Рис. 4.65. Изображение на компьютере нестационарного температурного поля, характерного для процесса сварки

 

 

Рис. 4.66. Компьютерный расчёт остаточных сварочных деформаций

и напряжений (рис. 4.66). Для решения этих задач требуется проведение совместного термического и механического анализов.

Новейшие разработки в моделировании процессов сварки позво­ляют решать вопросы надёжности и долговечности сварных конст­рукций, прогнозировать процесс образования и развития усталост­ных трещин.

Компьютерное моделирование с успехом применяется и для ана­лиза процессов, сопутствующих сварке. Например, в настоящее вре­мя предъявляются жесткие требования к уровню предельно допус­тимых концентраций (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочего по­мещения, где выполняется сварка. При сварке широко применяют установки местной вытяжки в районе сварочного поста. Компьютер­ная программа, разработанная на базе соответствующей модели, позволяет выполнять расчет необходимых вытяжных устройств, обес­печивающих требования по ПДК.

 

Рис. 4.67. Вид экрана после ввода исходных данных (а) и построения гра­фика (б) при работе программы расчета малогабаритных вытяжных уст­ройств для рабочего места сварщика (в)

 

Современные технические и программные средства создают ши­рокие возможности для информационной поддержки, необходимой при проектировании технологических процессов сварки и родствен­ных технологий.

В ИЭС им. Е. О. Патона, например, разработана экспертная ком­пьютерная система «Наплавка», объединяющая в рамках единой ком­пьютерной системы базы данных и предназначенная для проектиро­вания технологий механизированной электродуговой наплавки де­талей машин и механизмов. Структура экспертной системы «Наплав­ка» представлена на рис. 4.68.

Основным структурным элементом системы является блок «Про­ектирование технологии наплавки», который выполняет функции базы данных и осуществляет управление базами данных системы. В

базе данных «Наплавочные материалы» сосредоточена информация, необходимая для выбора наплавочных материалов в зависимости от условий работы и видов изнашивания детали. Выбор наплавочных материалов ведётся в режиме диалога с пользователем. Завершаю­щим этапом работы экспертной системы является формирование выходного документа (технологической карты), в котором отража­ются результаты совместной работы компьютера и пользователя над выбором наплавочных материалов, технологии и техники наплавки

(рис. 4.69).

Эффективно решать проблемы сокращения сроков выполнения раскроя металла, снижения расхода материала за счет оптимального размещения деталей на листе, что в конечном итоге решающим об­разом влияет на себестоимость продукции, можно с помощью про­граммного средства «Раскрой листового материала» системы Тех-тран (рис. 4.70).

Задача заключается в том, чтобы по заданию на раскрой, состоя­щему из номенклатуры отобранных деталей и их количества по каждому наименованию, оперативно, учитывая складские запасы, опти­мально разместить на листах детали (рис. 4.71) и получить управля­ющие программы их резки. Листы делового отхода, остающиеся после работы, должны быть учтены в базе данных системы для даль­нейшего использования.

В последние годы созданы оригинальные модели, алгоритмы и программные средства автоматизированного конструирования сбо-рочно-сварочных приспособлений (ССП). В качестве примера исполь­зования компьютерных технологий в проектировании ССП можно привести программную систему ИНСВАР, функционирующую в операционной среде «Windows» и поддерживаемую графической системой AutoCAD. Формируемая компьютером чертежная докумен­тация выводится на принтер либо плоттер.

Укрупненная схема построения системы ИНСВАР показана на рис. 4.72. Блок «Изделие» обеспечивает ввод исходной геометричес кой информации о деталях. Из блока «Технология» используется ин­формация о технологических узлах конструкции, положении узлов и деталей при сборке-сварке, режимах выполнения сварки.

Блок «Техническое задание» предоставляет возможность инже­неру-технологу выразить свои требования к разрабатываемому при­способлению:

- тип ССП (стационарное, поворотное и пр.);

- тип привода силовых устройств (пневматический, гидравличес­кий и пр.);

- тип корпуса ССП (плита, рама и пр.);

- требования к доступности сварных швов (хорошая, удовлетво­рительная);

- необходимость анализа напряженно-деформированного состо­яния сварных сборочных единиц в ССП.

В блок «Среда функционирования приспособлений» вводится информация о типах используемых кантователей, вращателей и дру­гих устройств, с которыми стыкуется разрабатываемое приспособ­ление. На рис. 4.73 показан пример конструкции ССП, спроектиро­ванной системой ИНСВАР.

При компьютерном проектировании технологических приспособ­лений и стендов существенно сокращаются сроки разработок и улуч­шается качество документации.

 

. 4.71. Результат размещения деталей на листе с помощью программы «Раскрой листового материала»

 

 

Рис. 4.73. Пример конструкции ССП, сформированной программной систе­мой ИНСВАР:

а - элементы конструкции, подлежащие сварке; б - ССП в сборке с деталя­ми, подготовленными к сварке

 

Помимо трех вышеназванных направлений использования ком­пьютерных технологий в сварке (САЕ, САМ и CAD), всё возрастаю­щее значение приобретает компьютеризация современных методов исследований и контроля качества сварных соединений. Одним из таких методов является металлография, широко используемая для периодического контроля качества сварных соединений, а также для исследования и выявления причин разрушения сварных металлокон­струкций.

Для данных целей в настоящее время разработаны специальные компьютерные системы анализа изображений например, отечествен­ная система Thixomet (рис. 4.74). Высокочувствительные видеока­меры установлены вместо окуляров в микроскоп и микротвердомер. Еще одна видеокамера применяется для съёмки внешнего вида дета­ли и макросъёмки. Всё оборудование компактно размещено на стан­дартном столе микроскопа.

Изображение вводится с видеокамер в компьютер с помощью специального устройства захвата кадров (фреймграббера). Резуль­таты контроля распечатываются на принтере, что позволяет избе­жать трудоёмких операций «мокрой» обработки фотоматериалов.

 

 

Рис. 4.74. Компьютерная система анализа изображений Thixomet

 

 

Рис. 4.75. Изображение микроструктуры в рабочем окне программы Thixomet

Пример изображения, получаемого на системе Thixomet, дан на рис. 4.75.

С помощью программы Thixomet можно производить оценку параметров микроструктуры, выполнять автоматизированный конт­роль металлургических дефектов. В программе реализован метод ЭИ-реконструкции, что позволяет восстанавливать объёмное изоб­ражение структуры или дефекта и оценивать его параметры. Это делает возможным определение механизма образования дефектов (например, квалифицирование трещин - металлургические, устало­стные, коррозионные и др.), что важно при анализе причин разру­шения.

К числу важнейших методов контроля ответственных сварных соединений принадлежат рентгеновский и гаммаграфический мето­ды (PIT). Дефектоскопист визуально анализирует снимки и иденти­фицирует обнаруженные дефекты. Качество расшифровки снимков всегда носит достаточно субъективный характер, так как в той или иной мере сказывается «человеческий фактор»—уровень подготов­ки дефектоскоп иста, его самочувствие. Один из перспективных спо­собов решения данной проблемы - реализация компьютерных тех­нологий в области РГТ. На основании накопленного опыта разрабо ток компьютерной расшифровки РГТ снимков определилась следу­ющая технология распознавания и анализа дефектов:

- ввод изображения РГТ снимка и сопроводительной информа­ции в компьютер;

- создание блока программ предварительного анализа изображе­ния и его пригодности к возможной дальнейшей компьютерной об­работке;

- создание блока программ поиска и выделения контуров дефек­тов, идентификации их типов и определения их геометрических ха­рактеристик;

- создание расчётно-аналитического блока для получения заклю­чения о дефектности сварного соединения;

- статистическая обработка получаемых результатов;

- создание вспомогательных сервисных функций.

Сравнение предварительных результатов независимого тестиро­вания компьютерной системы с результатами оценки снимков дефектоскопистами показали, что машина переоценивает размеры дефек­тов примерно на 15-20 %, человек недооценивает размер на 10-15 %, особенно на дефектах малой площади. Программу можно подпра­вить, особенно если она «перестраховалась». А как быть с ошибкой дефектоскописта? Недооценка может привести к серьёзным послед­ствиям, а «подправить» данные специалиста нельзя. Однозначного ответа на этот вопрос нет. Ясно, однако, что использование компью­терных технологий должно помочь уменьшить влияние человечес­кого фактора при расшифровке РГТ снимков.