CC BY
29
УДК 621.791.72
А. В. Мурыгин, Д. В. Тихоненко
АНАЛИЗ ДОСТОВЕРНОСТИ ИНФОРМАЦИИ ПО ФОРМЕ СИГНАЛА ДАТЧИКА СТЫКА ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ
Рассмотрена методика определения достоверности сигнала датчика стыка по форме сигнала, приведены экспериментальные характеристики.
В системах управления электронно-лучевой сваркой наибольшее распространение получили устройства, которые используют для обнаружения стыка сам электронный луч. В этих устройствах координата стыка определяется в процессе зондирования, при котором пучком электронов осуществляется сканирование поверхности деталей перед каналом проплавления. В процессе зондирования датчик регистрирует изменение интенсивности излучения, вызванное наличием стыка, флуктуациями ускоряющего напряжения и тока пучка, наличием рисок и забоин. Когда уровень помех мал, сигнал несет в основном информацию о положении стыка. Если уровень помех высокий, а это происходит в случае пережатия стыка, попадания пучка на прихватку, то амплитуда сигнала от стыка становиться соизмеримой с амплитудой помехи и сигнал датчика несет в основном информацию о помехе. При этом будет меняться форма сигнала датчика. Чем сильнее действие помехи, тем сильнее форма сигнала будет отличаться от ожидаемой.
Рассмотрим функциональную схему устройства наведения на стык, использующего для обнаружения стыка рентгеновское излучение (рис. 1). В состав устройства входят рентгеновский датчик стыка (РДС) и коллимированный рентгеновский датчик (КРД) геометрии электронного пучка. Управляет работой устройства система управления (СУ), реализованная на базе промышленного компьютера производства фирмы «Advantech».
Рис. 1. Функциональная схема устройства наведения на стык деталей, использующая для обнаружения стыка рентгеновское излучение: 1 - электронный луч, 2 - направление сканирования; 3- зона обзора КРД
Устройство работает следующим образом. СУ с помощью отклоняющих систем 0Сг и ОСу периодически на короткое время прерывает процесс сварки и перемещает электронный луч 1 по траектории 2. При движении луча I в направлении стыка по оси 2 датчик стыка РДС измеряет интенсивность рентгеновского излучения п. в каждой точке траектории г. и сохраняет результаты измерения в памяти СУ Затем электронный луч пересекает зону обзора 3 датчика КРД геометрии луча. При этом СУ сохраняет в памяти показания датчика КРД. Сохраненные значения сигналов датчиков РДС и КРД обрабатываются СУ и используются для определения координаты стыка 2 и анализа достоверности сигнала. Если сигнал от стыка признан достоверным, то СУ выдает сигнал коррекции 2 . Примеры реализации сигнала от стыка с различным уровнем помех приведены ниже (рис. 2).
Процесс изменения формы распределения сигнала при увеличении мощности помехи можно контролировать по изменению коэффициентов формы распределения: энтропийному коэффициенту и контрэксцессу, которые фиксируются по отсчетам датчика стыка. Методика определения этих коэффициентов следующая.
В начале вычисляем центр распределения гц:
т п.
=Х. (1)
7=1 п
Далее находим среднеквадратическое отклонение распределения сигнала от стыка
(2)
где п. - число отсчетов датчика РДС точке г.; т - число точек на оси 2, в которых происходит измерение;
т
п = ^ п 7 - объем выборки.
7 = 1
Четвертый момент распределения
т . п
Д4 = 1 (^ ^)4^
7=1 И
Эксцесс распределения е = ^4
о4
(3)
и контрэксцесс
% Г =
Энтропийный коэффициент распределения [1]
к =&-
1 т
п — X п п —10 п'=1 ' ' 2а
(4)
Для анализа достоверности принятого сигнала по его форме нанесем вычисленные значения коэффициентов формы сигнала к и % на поле признаков [2] (рис. 3). Кривая на рис. 3 относится к плавным симметричным законам распределения, причем левая ветвь относится к островершинным распределениям. Точка а (кэг = 0, =0)
соответствует распределению Коши; точка Ь (кэг = 1,35, X = 0,199) - экспоненциальному распределению с показателем степени а = 1 / 2; точка с (кэг = 1,92, хг = 0,408) -распределению Лапласа с показателем степени а = 1; точка d (кэг = 2,066, %2 = 0,575) - нормальному распределению с показателем степени а = 2; точка е (к = 1,73, X = 0,745) - равномерному распределению с показателем степени а = го Правая ветвь кривой относится к двухмодальным распределениям с экспоненциальной составляющей с показателем степени а = 2. Начинаясь в точке d, она заканчивается в точке/, соответствующей дискретному двухзначному распределению. Если уровень помехи мал, то распределение сигнала от стыка будет находится на поле признаков вблизи кривой. Результатом действия помехи на форму сигнала является появление постоянной составляющей (см. рис. 2). Это приводит к нарушению симметричности распределения. При этом отображающая распределение точка перемещается внутрь области, ограниченной кривой (точки 1, 2, 3). Причиной возникновения помехи такого рода является недостаточная компенсация постоянной составляющей сигнала от стыка.
Для уменьшения влияния помех будем компенсировать постоянную составляющую. Если в результате компенсации постоянной составляющей получаются отрицательные значения сигнала от стыка, то они будут приниматься равными нулю. Форму сигнала будем определять на интервале наиболее вероятного нахождения ко-
№ 1
100
10 15 20 25 30 z X 0,1 мм
№ 2
15 20 25 30 z X 0,1 мм
100
10 15 20 25 30
z х 0,1 мм
ординаты стыка. Ширина этого интервала 2ггр принимается равной энтропийному значению ширины распределения сигнала от стыка и может быть рассчитана по формуле [1]
1т
---X п. ^ п.
22гр = Д?• п-10 ”'=1 ,
(5)
где п. - значение отсчетов сигнала от стыка в точке г.; п - объем выборки; Дг - ширина интервала между соседними отсчетами.
Ширину интервала 2гр определяем после компенсации постоянной составляющей.
Более точно ширину интервала 2гр можно найти, зная энтропийный диаметр электронного пучка dэ п. Эти данные получают в результате расчета СУ по сохраненным значениям показаний датчика КРД [2]. В этом случае 2г = dэ п.
Значения коэффициентов формы распределения сигнала от стыка, приведенных на рис. 2, даны в таблице. Коэффициенты рассчитывались на интервале наиболее вероятного нахождения координаты стыка. 0тображаю-щие распределения точки наносились на поле признаков (см. рис. 3)
Анализ положения отображающих точек показывает, что большинство из них лежит в окрестностях кривой симметричных распределений с энтропийным коэффициентом к = 1,9. Форма этих распределений может быть признана
120
108
96
84
72
60
48
36
24
№ 7
12
0
1 \
/ \
\
\
\
(
10 15 20 25 30 2 X 0,1 мм
№ 8
15 20 25 30 "ХОД мм
№ 9
0 5 10 15 20 25
Рис. 2. Реализации сигнала от стыка с различным уровнем помех
2 X 0,1 мм
достоверной. В то же время распределение сигнала реализации 2 имеет две явно выраженные вершины и относится к двухмодальным распределениям. Координату стыка по такому распределению можно определить даже после компенсации постоянной составляющей только с ошибкой. Данную форму сигнала будем считать недостоверной. Соответствующая этому распределению отображающая точка 5 имеет низкий энтропийный коэффициент (кэг = 1,441) по сравнению с типичным одномодальными распределениями. Распределения реализаций 14 и 15 близки к равномерным распределениям. Точное определение координаты стыка по таким распределениям также провести сложно. Этот сигнала можно считать недостоверным.
к = — - 5,2
Рис. 3. Поле признаков форм распределений сигнала датчика стыка
Определение достоверности формы распределения сигнала от стыка производим в следующей последовательности.
Проверяем принадлежность распределения к экспо-ненциальныму. Линия экспоненциальных распределений на поле признаков с точностью до 5 % может быть представлена аппроксимирующим выражением [1]
73-х
- 69,4
X
при 0,2 < X < 0,527, (6)
при 0,527 < X < 0,747. (7)
Распределение считается экспоненциальным, если кэ - 5 % < кэ2 < кэ + 5%. (8)
Такое распределение считается достоверным, так как соответствует априорным данным о процессе, а действие помехи является пренебрежительно малым. Еще более достоверно форму сигнала можно идентифицировать, если в качестве априорных данных о форме сигнала использовать информационные параметры формы распределения плотности энергии электронного луча: энтропийный коэффициент формы пучка К и контрэкцесс формы пучка Xп, полученные СУ от датчика КРД геометрии электронного пучка.
Распределение сигнала от стыка считается принадлежащим тому же типу, что и распределение тока электронного пучка, если параметры распределения кэг и Xz не превосходят разброса оценок:
к - 5 % < к < к + 5 %. (9)
э.п эг э.п 4 '
Если энтропийный коэффициент формы сигнала датчика кэг меньше вычисленного разброса, но больше чем 1,81 (что соответствует энтропийному коэффициенту равномерного распределения, увеличенному на 5 %), то такое распределение признается уплощенным. Уплощенное распределение рассматривается как композиция равномерного распределения с среднеквадратичным отклонением (СКО) О и экспоненциального с С К О О . Их
4 ' п эксп
относительное значение Ср = на участке 0,2 < X < 0,745
°эксп
может быть определено аппроксимирующим выражением [1]
С = 0,77 + 35,6 х
0,8( -К )2 +((н -кэ2)( -0,288) + 0,025^
. (10)
где кн = ^1^- - энтропийный коэффициент нормального
распределения.
Значения коэффициентов формы распределения сигнала от стыка
№ серии Т^к Яуча 4, ма СКО, у2 • 10", мм Энтропия Н2, дит Энтропийный к^эт т ифжнтнт Кэ2 К^нтрэкфбсс ч2
1 30 8,45 3,181 1,424 0,593
2 70 7,684 3,095 1,436 0,564
3 130 8,842 3,206 1,395 0,616
4 30 1,595 1,874 2,043 0,625
5 70 2,318 1,899 1,441 0,71
6 130 2,027 2,094 2,043 0,657
7 2 1,956 2,082 2,050 0,622
8 16 1,12 1,947 1,933 0,513
9 90 1,725 1,921 1,979 0,660
10 40 1,925 2,049 2,016 0,599
11 50 2,64 2,068 1,916 0,519
12 60 2,104 2,136 2,011 0,555
13 137 1,813 1,996 2,03 0,621
14 160 6,817 3,153 1,717 0,649
15 187 6,582 3,163 1,795 0,673
В этом случае результат действия помехи на форму сигнала может быть представлен как композиция двух законов распределений. Один из них вызван неравномерностью распределения плотности тока на поверхности деталей, и его можно описать экспоненциальным законом распределения с средним квадратическим отклонением а . Другой вызван действием помехи и может быть принят как равномерный закон распределения с средним квадратическим отклонением а . Такое допущение связано с тем, что скорость движения пучка при зондировании стыка одинакова, а вероятность получить искажение (помеху) обратно пропорциональна скорости перемещения пучка. Эти два распределения, влияющие на форму сигнала от стыка, являются независимыми, так как природа их появления различна: распределение плотности тока зависит от состояния оптической системы электронно-лучевой пушки, а распределение помехи - от скорости перемещения пучка и состояния поверхности деталей. Результат их совместного действия может быть представлен как
аХ =^аэ2КС +а . (11)
Форма результирующего распределения зависит от вида закона распределения плотаости тока и относительного веса составляющих С„ = —— суммарного распре-
о_ =
о
о
деления.
1+£
. Погрешность может быть определена как
Относительное значение С может быть использова-
но для оценки погрешности измерения координаты сты-
^ _ о2 „2
экс
ка. Действительно, учитывая, что о2 = о2кс + о1, получим
А = 1,6о .
пп
Если энтропийный коэффициент распределения сигнала от стыка кэг = 1,73 ± 5 %, а контрэксцесс Xz=0,745 ± 5 %, то распределение признается равномерным. Это соответствует случаю потери стыка, обрыву сигнального провода датчика стыка, пережатию стыка, попаданию на прихватку. Такой сигнал от стыка считается недостоверным.
Если кэг < 1,73, то распределение признается двухмодальным. Это соответствует случаю обнаружения в зоне вероятного нахождения координаты стыка глубокой риски, бурта. Такой сигнал также признается недостоверным.
Таким образом, можно сделать вывод, что такие информационные параметры, как энтропийный коэффициент и контрэкцесс, вычисленные по форме сигнала от стыка, позволяют определить достоверность полученного сигнала и оценить погрешность обнаружения координаты стыка, вызванную действием помехи.
Библиографический список
1. Новицкий, П. В. Оценка погрешностей результатов измерений / П. В. Новицкий, И. А. Зоограф. 2-е изд., пере-раб. и доп. Л. : Энергоатомиздат. Ленингр. отд., 1991.
A. V. Murygin, D. V. Tikhonenko
THE ANALYSIS RELIABILITY OF A SIGNAL OF THE JOINT SENSOR BY THE FORM OF A SIGNAL AT ELECTRON BEAM WELDING
In article the method of definition of reliability signal of the joint sensor by the form of a signal is considered. The experimental characteristics are given.
