Software & Systems

Волноводные системы широко применяются в космических аппаратах, обеспечивая функционирование как самого аппарата, так и его бортовой аппаратуры. В компании «Информационные спутниковые системы» (г. Железногорск Красноярского края) в качестве волноводных систем используются тонкостенные трубы прямоугольного сечения из алюминиевых сплавов. Для изготовления волноводных систем применяется индукционная пайка [1, 2].

Индукционная пайка тонкостенных волноводов – сложный технологический процесс, обладающий рядом особенностей [3].

Во-первых, применяемый силуминовый припой имеет температуру плавления, близкую к температуре плавления основного материала. При скорости индукционного нагрева 10–15 °С/сек. требуется точное соблюдение технологического режима процесса пайки. Во-вторых, составные части волноводной системы, такие как волноводная труба, фланец или муфта, в процессе индукционного нагрева представляют собой независимые системы до момента расплавления припоя между ними [4]. То есть между элементами практически отсутствует теплообмен, и их нагрев происходит незави- симо друг от друга. В-третьих, выявлено, что при индукционном нагреве волноводных трактов зоны наибольшего тепловыделения в сечениях элементов (максимальная плотность индуцированных вихревых токов) не совпадают с зонами пайки [5].

Кроме этого, большая номенклатура паяных изделий с различными массо-габаритными параметрами приводит к разности по массе одноименных изделий до 25 %. Также при нагреве элементы волноводных трактов не изменяют свой цвет, что исключает визуальный контроль локальных перегревов паяных изделий [6].

Перечисленные факторы значительно усложняют воспроизведение технологического процесса индукционной пайки волноводных трактов, предъявляют требования к точности позиционирования изделия, форме индуктора, параметрам генератора установки индукционной пайки и требуют высококвалифицированного персонала [7, 8].

Анализ перечисленных особенностей индукционной пайки выявил необходимость автоматизации технологического процесса и привел к созданию программно-аппаратного комплекса, позволяющего точно воспроизводить технологический процесс. Разработанная автоматизированная си- стема управляет процессом нагрева изделия, изменяя мощность, подаваемую на индуктор, на основе информации о температуре из зоны пайки [9].

Структура и алгоритмы работы ПО

Программный продукт, предлагаемый для автоматизации процесса индукционной пайки, представляет собой Windows-приложение, работа которого возможна в операционных системах Windows XP/7/8/8.1/10.

Программный продукт разработан на языке C++ с применением объектно-ориентированного подхода, что позволило сделать современное масштабируемое приложение [10].

Работа с COM-портами реализована посредством WinApi [11–13], работа с платой PCI1710 – посредством сторонней библиотеки bdaqctrl.h, распространяемой бесплатно [14].

Структурная схема программного продукта представлена на рисунке 1.

Проект программной системы состоит из пяти файлов исходного кода:

-      soldering.cpp – содержит главную функцию программы WinMain(), которая реализует запуск программной системы;

-      mainform.cpp – содержит алгоритмы работы главного окна приложения;

-      pyroform.cpp – содержит алгоритмы работы формы с информацией о пирометрах;

-      bdaqctrl.h – содержит алгоритмы работы интерфейса платы PCI1710, по которой осуществляются обработка данных термопар и управление уставкой мощности;

-      Pyro_class.cpp – содержит описание класса пирометров Pyro, алгоритмы взаимодействия с ними, а также алгоритмы настройки пирометров.

В системе реализован один пользовательский класс – класс пирометра Pyro. Данный класс хранит всю информацию о подключении пирометра, а также его параметры.

С использованием данного класса можно производить:

-      включение лазера пирометра;

-      выключение лазера пирометра;

-      запрос о состоянии лазера пирометра (0 – выключен, 1 – включен);

-      запрос серийного номера пирометра;

-      запрос минимальной температуры, воспринимаемой пирометром;

-      запрос максимальной температуры, воспринимаемой пирометром;

-      запрос текущей температуры, измеряемой пирометром;

-      запрос коэффициента эмиссии в пирометре;

-      установку коэффициента эмиссии в пирометре;

-      автоматическое вычисление коэффициента эмиссии.

На рисунке 2 приведена блок-схема работы программной системы.

Из блок-схемы видно, что на первоначальном этапе происходят инициализация всех структур данных и настройка портов и интерфейсов. Также перед открытием основного окна приложения происходит принудительное отключение лазеров пирометров, так как включенный лазер существенно влияет на точность измерений.

При закрытии приложения происходят закрытие всех портов и отключение платы PCI1710. Дополнительно к этому производится выключение индуктора.

На первоначальном этапе, еще до вывода формы на экран, происходит последовательный опрос пирометров и получение с них следующей информации: серийный номер, минимальная измеряемая пирометром температура, максимальная измеряемая пирометром температура, коэффициент излучательной способности материала, установленной на пирометре.

Далее вся полученная информация выводится в соответствующие поля на форме.

При нажатии на кнопку «ПУСК» запускается процесс автоматической пайки, в течение которого управление нагревом изделия осуществляется на основе пропорционального регулятора [15, 16] с целью поддержания требуемой скорости нагрева [17], а при достижении температуры стабилизации с целью поддержания этой температуры в течение некоторого времени – времени стабилизации.

На рисунке 3 представлена блок-схема управления процессом пайки, где приняты следующие обозначения:

– Wуставка – уставка мощности генератора в вольтах; изменяется от 2В до 12В, где 2В – это 0 % мощности генератора, 12В – 100 % мощности;

– Тупр – значение температуры, полученное с пирометра, введенного в контур управления;

– Тстаб – значение температуры стабилизации, на которой происходит расплавление припоя; задается как технологический параметр процесса;

– Vнагр – скорость нагрева изделия;

– Vуст – требуемая скорость нагрева, которую необходимо выдерживать; задается как технологический параметр процесса;

– tначалаСтаб – отметка о времени, когда система начала процесс стабилизации;

– ВремяСтабилизации – время, в течение которого необходимо выдерживать изделие при Тстаб; задается как технологический параметр процесса.

Такая схема управления, реализованная на базе пропорционального регулятора, позволяет произ- водить эффективное управление 20 раз в секунду. В результате серии экспериментов было выявлено, что такой дискретности управляющих воздействий достаточно для эффективного управления процес- сом индукционной пайки.

Описание работы с автоматизированной системой

В системе предусмотрены два уровня доступа:

-      доступ оператора, при котором возможны управление комплексом оборудования и просмотр БД технологических параметров пайки волноводов;

-      доступ технолога с возможностью просмотра и редактирования БД технологических параметров пайки волноводов, а также управления комплексом оборудования.

В главном окне автоматизированной системы в режиме работы оператора пользователю предоставлен ряд возможностей, прежде всего – просмотр графика нагрева изделия.

Также в окне имеется ряд управляющих элементов, сгруппированных по функционалу: элементы управления параметрами пайки и кнопки управления лазерами пирометров.

При возникновении нештатного режима нагрева возможно экстренное завершение работы системы нажатием кнопки «СТОП».

Также оператор перед пайкой должен выбрать технологические параметры процесса из БД.

В отличие от оператора технологу дополнительно предоставляется возможность ведения и из- менения БД технологических параметров пайки (рис. 4). Для этого предусмотрена кнопка «Редак- тировать БД сборок», где технолог может просмотреть в табличном виде данные технологических параметров сборок, отредактировать их, а также добавить новые сборки или удалить устаревшие.

Для проведения анализа результатов пайки изделий, а также выполнения научно-исследовательских работ в системе имеется возможность протоколирования процессов как в графическом виде (графиков температур), так и в текстовом.

При необходимости проверки подключения измерительных устройств, а также настройки их параметров возможен просмотр информации о пирометрах (рис. 5).

Для корректировки значения излучательной способности материала предоставлены два инструмента:

-      ручная корректировка; при нажатии на кнопку «Изменить на» значение излучательной способности материала в пирометре будет заменено  внесенным в окошко справа от кнопки; данное значение представляется в формате тысячных долей в интервале от 0 до 1;

-      автоматическая настройка; при нажатии на кнопку «Настроить автоматически» будет запущен процесс подбора наилучшего значения излучательной способности; данный процесс требует подключения хотя бы одной термопары к системе; среднее время автоматической настройки варьируется от 40 до 50 секунд.

Экспериментальное исследование эффективности работы автоматизированной системы

Для исследования эффективности работы системы по управлению процессом индукционной пайки волноводных трактов из алюминия был проведен ряд лабораторных экспериментов на опытном оборудовании с различными типоразмерами труб и фланцев/муфт волноводов.

При проведении экспериментов использовалась информация с двух пирометров, направленных на трубу и фланец/муфту соответственно.

Цель проведения первого блока экспериментов – выбор информации о тепловом процессе, которую необходимо ввести в контур управления.

Были рассмотрены три варианта:

-      использование данных о температуре с пирометра, направленного на фланец/муфту;

-      использование данных об обеих температурах с пирометров, направленных на трубу и фланец/муфту;

-      использование данных о температуре с пирометра, направленного на трубу.

Недостатком контроля температуры фланца/ муфты явилось недостаточное протекание припоя во всю глубину соединения за счет естественного охлаждения трубы в процессе выдержки. Использование же средневзвешенной температуры с обоих пирометров, направленных на трубу и фланец/муфту, приводило к частым прожогам трубы.

Наилучшие результаты показало управление процессом по температуре трубы, что позволило предотвратить оплавление соединяемых деталей и обеспечить полное протекание припоя.

Второй блок экспериментов был направлен на определение технологических режимов пайки для следующих размеров волноводов: 28,5´12,6 мм, 35´15 мм, 58´25 мм и 19´9,5 мм.

Для этих размеров была установлена единая скорость нагрева 5 град./сек. Повышение скорости нагрева приводило к росту перепада температур между верхней и нижней поверхностями фланца, а понижение – к ухудшению работы флюса и, соответственно, протеканию припоя.

Экспериментально были установлены необходимые зазоры и температуры стабилизации. Выбором соответствующего зазора между индуктором и фланцем достигается минимальная разность температур между соединяемыми элементами – трубой и фланцем.

По результатам экспериментов был сформирован банк данных технологических процессов пайки волноводных трактов.

Примеры полученных графиков процессов представлены на рисунках 6, 7.

В представленном исследовании было разработано ПО, позволяющее осуществлять автоматизацию процесса пайки волноводных трактов различных конструкций, снижая влияние человеческого фактора.

Система обладает следующими основными функциями:

-      автоматизированное управление процессом нагрева спаиваемых изделий;

-      визуализация значений температуры в зоне пайки;

-      настройка параметров процесса пайки;

-      калибровка измерительных устройств – пирометров;

-      ведение БД технологических процессов;

-      разграничение прав доступа к системе.

Разработанное ПО помогает оператору подбирать параметры индукционной пайки и обеспечивает воспроизводимость режимов нагрева в условиях многообразия конструкций элементов и их массо-габаритных характеристик.

Таким образом, применение предлагаемой автоматизированной системы позволит повысить качество волноводных трактов, снизить влияние человеческого фактора и улучшить условия работы персонала.

Литература

1.     Злобин С.К., Михнев М.М., Лаптенок В.Д., Зайцев Р.В. Особенности пайки элементов волноводно-распределительных трактов из алюминиевых сплавов с применением источника индукционного нагрева // Решетневские чтения: матер. XVI Междунар. научн. конфер. В 2 ч. Красноярск: Изд-во СибГАУ, 2012. С. 192–193.

2.     Сильченко П.Н., Михнев М.М., Анкудинов А.В., Кудрявцев И.В. Обеспечение прочности и точности крупногабаритных волноводно-распределительных систем космических аппаратов связи // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2012. № 1. С. 112–117.

3.     Вологдин В.В., Кущ Э.В., Асамов В.В. Индукционная пайка. Л.: Машиностроение, 1989. 72 с.

4.     Кудрявцев И.В., Барыкин Е.С., Гоцелюк О.Б. Математическая модель нагрева волновода при передаче сигнала высокой мощности // Молодой ученый. 2013. № 9. С. 52–57.

5.     Лаптенок В.Д., Злобин С.К., Михнев М.М., Бочаров А.Н., Долгопо- лов Б.Б. Особенности производства волноводно-распределительных трактов антенно-фидерных устройств космических аппаратов // Вестн. СибГАУ. 2013. № 6 (52). С. 196–201.

6.     Лаптенок В.Д., Долгополов Б.Б., Боча- ров А.Н. Методика отладки технологического процесса пайки волноводных трактов. Красноярск: Изд-во СибГАУ, 2009. 112 с.

7.     Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева. Л.: Энергия, 1974. 418 с.

8.     Слухоцкий А.Е. Индукторы. Л.: Машиностроение, 1989. 462 с.

9.     Злобин С.К., Михнев М.М., Лаптенок В.Д., Серегин Ю.Н., Бочаров А.Н., Тынченко В.С., Дубец Ю.П., Долгопо- лов Б.Б. Автоматизированное оборудование и технология для пайки волноводных трактов космических аппаратов // Вестн. СибГАУ. 2014. № 4 (56). С. 219–229.

10.  Лафоре Р. Объектно-ориентированное программирование в С++: учебник. СПб: Питер, 2011. 928 с.

11.  Архангельский А.Я. Приемы программирования в C++ Builder 6 и 2006. Механизмы Windows, сети: учебник. М.: Бином-Пресс, 2010. 992 с.

12.  Работа с COM-портом с помощью потоков. URL: http://usbsergdev.narod.ru/DOC/COM_port_potoki_TThread_WINAPI.pdf (дата обращения: 22.10.2015).

13.  Титов О. Работа с коммуникационными портами (COM и LPT) в программах для Win32. URL: http://www.realcoding.net/ article/view/2416 (дата обращения: 12.11.2015).

14.  Тынченко В.С., Бочаров А.Н., Серегин Ю.Н., Лапте- нок В.Д. Модуль взаимодействия с аппаратным обеспечением АСУ «Пайка»: пат., Рос. Федерация. № 2015611846. заявл. 11.12.2014; опубл. 20.03.2015, Бюл. № 3. 1 с.

15.  Типы регуляторов и законы регулирования. URL: http:// automation-system.ru/main/15-regulyator/type-of-control.html (да­та обращения: 22.09.2015).

16.  Автоматические регуляторы и их типы. URL: http:// mashmex.ru/metallurgi/104-osnovi-avtomatizacii.html?start=6 (дата обращения: 20.09.2015).

17.  Пурро В., Седякин А. Автоматизация процессов. URL: http://opiobjektid.tptlive.ee/Automatiseerimine (дата обращения: 25.09.2015).