Система автоматичного керування технологічним процесом пайки складених п'єзокерамічних перетворювачів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

СИСТЕМА АВТОМАТИЧНОГО КЕРУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИМ ПРОЦЕСОМ ПАЙКИ СКЛАДЕНИХ П'ЄЗОКЕРАМІЧНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ

Спеціальність 05. 13. 07 - “Автоматизація технологічних процесів”

ГОНТОВИЙ СЕРГІЙ ВІКТОРОВИЧ

УДК 621. 791. 357: 658. 512. 011. 56

Донецьк-1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донбаському гірничо-металургійному інституті Міністерства освіти України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент, Паеранд Юрій Едуардович, Донбаський гірничо-металургійний інститут, завідувач кафедри промислової електроніки.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Силаєв Віктор Іванович, професор кафедри “Менеджмент у виробничій сфері”, Донецька державна академія управління, м. Донецьк кандидат технічних наук, Зубов Дмитро Анатолійович, доцент кафедри “Комп'ютеризовані системи”, Східноукраїнський Державний університет, м. Луганськ.

Провідна установа: Харківський державний політехнічний університет, кафедра системного аналізу та керування, Міністерство освіти України, м. Харків.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми і ступінь дослідження тематики.

Складені п'єзокерамічні перетворювачі є невід'ємною частиною багатьох видів електронної апаратури, зокрема апаратури зв'язку, вимірювальної техніки; використовуються вони також у якості датчиків та різних вимірювальних перетворювачів. Якість та характеристики складених п'єзокерамічних перетворювачів (СПП) в значній мірі визначають характеристики апаратури, в якій вони використовуються. Технологічні процеси, які зараз застосовуються при виробництві СПП, характеризуються низьким виходом придатних до використання виробів та незадовільною повторюваністю параметрів, що призводить до збільшення долі ручної праці під час виготовлення та підлаштування параметрів перетворювачів.

Однією з основних вимог до СПП, що значною мірою відбивається на якості приладів та апаратури, є забезпечення постійно високих значеннь механічної добротності (МД). Крім того, необхідно забезпечити високу повторюваність параметрів СПП.

Забезпечити підвищення значення МД можливо шляхом впровадження системи автоматичного керування технологічним процесом виготовлення СПП, зокрема процесом пайки. Означена система автоматичного керування (САК) дозволить підтримувати параметри технологічних впливів на заданому рівні та автоматично їх коригувати, в залежності від змінення зовнішніх впливів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана робота грунтується на попередньо виконуваних держбюджетних роботах №33 “Модернизация конструкции канального электромеханического фильтра”, №43 “Исследование технологического процесса микросварки колебательных систем электромеханических фильтров”, трьох госпдоговірних роботах, виконаних за період з 1994 по 1998 роки, та двох роботах технічного супроводження.

Метою роботи є підвищення показників якості складених п'єзокерамічних перетворювачів, що досягається за рахунок застосування нового способу регулювання напруги поляризації, а також впровадження системи автоматичного керування технологічним процесом пайки.

Поставлена мета вимагає вирішення наступних завдань:

- розробка математичної моделі процесу індукційної пайки СПП для визначення зв'язку параметрів та режимів роботи джерела високочастотної напруги з фізичними характеристиками процесу нагріву;

- розробка системи автоматичного керування пайкою та поляризацією СПП з метою підвищення показників їхньої якості;

- дослідження та оптимізація САК пайкою СПП з метою визначення її оптимальних параметрів, режимів функціонування та умов протікання технологічного процесу пайки, що дозволить підвищити показники якості СПП.

Основна ідея роботи полягає в регулюванні напруги поляризації в залежності від температури п'єзоелементів СПП під час їх пайки, шляхом введення зворотнього зв'язку за загасанням тестового сигналу між п'єзоелементами складеного п'єзокерамічного перетворювача, що забезпечує підвищення показника якості СПП - механічної добротності.

Методи досліджень. В роботі використано методи математичного аналізу, елементи теорії диференційних рівняннь за частинними похідними, методи теорії ймовірності та аналізу випадкових процесів в системах автоматичного керування, теорія планування експерименту при пошуку оптимальних умов.

Наукова новизна дисертації полягає в розробці нового способу регулювання напруги поляризації складених п'єзокерамічних перетворювачів на основі зворотнього зв'язку за загасанням тестового сигналу між п'єзоелементами в залежності від їх температури; в розробці нової системи автоматичного керування напруги поляризації, яка дозволяє автоматично регулювати її в залежності від температури складених п'єзокерамічних перетворювачів під час нагріву при пайці; в розробці математичної моделі процесу індукційної пайки складених п'єзокерамічних перетворювачів, яка дозволяє зв'язати параметри та режими роботи джерела високочастотного нагріву з фізичними характеристиками процесу нагріву: розподіленням температури і напруженості електромагнітного поля по перерізу СПП та їх динамікою; в розробці математичної моделі технологічного процесу пайки, на основі якої було визначено оптимальні параметри САК пайкою, що в сукупності дозволило створити систему автоматичного керування технологічним процесом пайки складених п'єзокерамічних перетворювачів, яка дозволяє підвищити показник якості СПП; отримані результати в сукупності вирішують конкретне наукове завдання, що має суттєве значення для розвитку автоматизованих систем керування технологічними процесами в галузі виробництва пристроїв та компонентів апаратури зв'язку.

Наукові положення.

Підвищення механічної добротності СПП досягається за рахунок регулювання напруги поляризації шляхом введення зворотнього зв'язку за загасанням тестового сигналу між п'єзоелементами СПП в залежності від температури під час пайки.

Для уникнення теплового пробою п'єзокераміки використовується регулювання напруги поляризації зворотньопропорційно її температурі.

Наукові результати.

Математичну модель процесу індукційної пайки СПП отримано на основі сумісного вирішення рівнянь теплопровідності та напруженості електромагнітного поля, модель дозволяє одержати зв'язок між режимами роботи пристрою високочастотного нагріву та фізичними характеристиками процесу нагріву: розподіленням температури та напруженості електромагнітного поля по перерізу СПП та їх динамікою.

Запропоновано та розроблено систему автоматичного керування технологічним процесом пайки СПП.

Проведено оптимізацію параметрів розробленої САК, що реалізує запропонований спосіб регулювання напруги поляризації п'єзокераміки, яка дозволяє досягти оптимального закону регулювання напруги поляризації від температури, що підвищує ефективність технологічного процесу пайки.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що запропоновано новий спосіб забезпечення зворотнього зв'язку за температурою СПП для регулювання напруги поляризації; на основі запропонованої та розробленої системи автоматичного керування розроблено та впроваджено у виробництво новий технологічний процес пайки СПП; запропоновано, розроблено та впроваджено новий варіант технологічного обладнання для пайки СПП, в результаті використання якого значення показника якості СПП - механічної добротності зросло на 16%; в результаті проведеної оптимізації визначено параметри САК пайкою СПП, що сприяє підвищенню ефективності процесів пайки та поляризації; на основі сумісного вирішення рівнянь теплопровідності та напруженості електромагнітного поля отримано математичну модель процесу індукційної пайки СПП, яка дозволяє визначити розподілення температури та його динаміку по перерізу СПП.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок автора полягає в розробці способу та САК регулювання напруги поляризації складених п'єзокерамічних перетворювачів на основі зворотнього зв'язку за загасанням тестового сигналу між п'єзоелементами в залежності від їх температури; в розробці структури та алгоритму функціонування пристрою для пайки складених п'єзокерамічних перетворювачів, який складається із джерела індукційного нагріву та пристрою регулювання напруги поляризації; в розробці математичної моделі індукційного нагріву СПП; в розробці алгоритму керування технологічним процесом пайки складених п'єзокерамічних перетворювачів; у визначенні методики оптимізації режимів технологічного процесу та параметрів пристрою для регулювання напруги поляризації, а також її реалізації; в проведенні численних модельних та натурних експериментів.

Обгрунтованість та вірогідність отриманих результатів.

Положення, висновки та рекомендації, викладені в роботі, отримані на підставі аналізу великої кількості наукових робіт та власних теоретичних і експериментальних дослідженнях автора. Свідченням обгрунтованості отриманих результатів є: коректне використання математичного апарату та сучасних методів досліджень; розбіжність результатів натурних експериментів та розрахунків за математичною моделлю не перевищує 10%, при рівні значущості р=0, 95; практичний досвід експлуатації розробленного обладнання, який довів його ефективність.

Реалізація результатів роботи. Запропонований технологічний процес та розроблену для нього апаратуру було впроваджено в процес виробництва електромеханічних фільтрів на АТЗТ “Калугаприборсвязь” (м. Калуга), НВФ “Энергосвязь” (м. Одеса), а також на науково-виробничій фірмі “Сігма” (м. Алчевськ). Виготовлені на цих підприємствах (з використанням результатів дисертаційної роботи) дослідні партії електромеханічних фільтрів, характеризуються підвищеними показниками якості. Запропоновані технологічний процес, обладнання, а також методика оптимізації режимів та регулювання напруги поляризації можуть бути поширені на будь-які технологічні процеси, де є необхідність пайки п'єзокерамики до металу.

Апробація роботи. Наукові положення і результати дисертаційної роботи були повідомлені на трьох науково-технічних конференціях: “РЭС-96”, м. Алушта, 1996р., “Автоматика-97”, м. Черкаси, 1997р., “Автоматика-98”, м. Київ, 1998р., а також на семінарах та науково-технічних конференціях Донбаського гірничо-металургійного інституту.

Публікації. Результати, отримані в дисертації, опубліковані в шістьох друкованих роботах, в тому числі: дві - в науково технічному журналі “Технологія та конструювання в електронній апаратурі” (м. Одеса), отримано державний патент України, опубліковано статтю в збірнику Міжнародної академії екологічної безпеки (Росія), а також опубліковано дві доповіді в збірниках праць науково-технічних конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків і списку літератури з 87 найменувань. Робота містить 156 сторінок машинного тексту, 48 рисунків та 11 таблиць.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та задачі досліджень. Викладено основні наукові та практичні результати, які отримані в роботі, а також основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі зроблено огляд використання п'єзокерамічних пристроїв під час виробництва електронної апаратури та приведено загальну характеристику об'єкта технологічного процесу. Проведено аналіз найбільш важливих параметрів складених п'єзокерамічних перетворювачів, розглянуті питання моделювання СПП, як об'єкта автоматичного керування.

П'єзоелектричні перетворювачі широко використовуються в електроніці та приборобудуванні. Обсяг та сфера застосування цих пристроїв розширюється з року в рік. Причому, обсяг їх виробництва на світовому ринку подвоюється кожні 5 років. Успіхи в створенні та удосконаленні цих пристроїв великою мірою визначаються поліпшенням параметрів п'єзокерамічних матеріалів, які в деяких випадках наблизились до насичення. При такому стані справ особливого значення набуває удосконалення техніки виготовлення п'єзоелементів та пристроїв, в яких вони застосовуються, в першу чергу з точки зору повторюваності та стабільности їх характеристик.

Однією із основних галузей застосування виробів п'єзотехніки є виробництво електромеханічних фільтрів. Перетворювачі із п'єзокераміки розроблені для великої кількості типів електромеханічних фільтрів.

Повний цикл виготовлення СПП можна умовно розділити на три стадії: підготовка комплектуючих, збірка перетворювача та настройка. Найбільш прийнятною є ситуація, коли необхідність в третій стадїї відсутня. Звести до мінімуму питому вагу третьої стадії можна вдосконалюючи технологічний процес виготовлення СПП шляхом впровадження комплексної автоматизації.

Параметрами якості, по яким проводиться відбір СПП є наступні: відносна ширина резонансного проміжку ?_р, резонансна та антирезонансна частоти fр та fа, механічна добротність Q_m, температурний коефіцієнт частоти ТКЧ.

Відносна ширина резонансного проміжку визначається наступним чином:

(1)

Механічна добротність СПП може бути визначена по формулі:

(2)

Перераховані вище параметри є основними і виявляють значний вплив на характеристики електромеханічних фільтрів. Згідно ¹/₂₀ норм МККТТ для канальних електромеханічних фільтрів на 128кГц температурний коефіцієнт частоти п'єзокерамічних перетворювачів не повинен перевищувати 510^{-6 1}/_С, а механична добротність - 3500. Для серійно виробляємих електромеханічних фільтрів пластинчатого типу вимоги до перетворювачів менш жорсткі (добротність 700 і температурний коефіцієнт частоти 510^{-6 1}/_С), що пов'язано з пом'якшеними вимогами до амплітудо-частотної характеристики фільтрів. Наведені показники можуть бути досягнуті лише завдяки високій точності підтримування значення технологічних впливів, що викликає необхідність застосування автоматичного керування процесом пайки.

Доведено, що СПП, як об'єкт автоматичного керування, може бути змодельовано безінерційною пропорційною ланкою з врахуванням впливу температури.

Висновками першої глави є те, що задача з'єднання п'єзокераміки з металом є актуальною і виникає при виготовленні багатьох виробів електронної техніки. Параметри СПП здійснюють суттєвий вплив на такі характеристики електромеханічних фільтрів як привнесене загасання, температурна та часова стабільність. Забезпечення необхідних характеристик СПП можливо тільки при використанні автоматичного керування технологічними впливами, що дозволить підвищити точність їх завдання та підтримки в процесі пайки.

У другому розділі проведено огляд технологічного процесу виготовлення СПП як об'єкта автоматичного керування, а також види та способи поляризації п'єзокераміки. Проаналізовано вплив напруги поляризації на характеристики СПП, а також особливості технологічного процесу пайки СПП. Запропоновано рішення по підвищеннню ефективності пайки. Доведено, що резерви по підвищенню якості СПП слід шукати в автоматизації технологічних операцій пайки та поляризації.

Показано, що для ефективної поляризації до п'єзоелементів слід прикладувати електричні поля значної напруженості, що може призвести до електричного пробою п'єзоелементів під час нагріву при пайці. Таким чином, під час пайки слід регулювати напругу поляризації у зворотній пропорції з температурою п'єзоелементів.

Проаналізовано особливості процесу індукційної пайки та обладнання, яке при цьому застосовується. Показано, що у випадку пайки СПП недоцільно використовувати існуюче серійне обладнання для індукційної пайки, оскільки воно має незадовільні масогабаритні та енергетичні показники. Крім того, це обладнання не забезпечує можливості працювати в необхідному частотному діапазоні. Проведено оцінку необхідної для пайки потужності та оптимального діапазону частот. Доведено необхідність розробки експериментальної установки для індукційної пайки, в якій в якості силових ключових елементів використано транзистори зі статичною індукцією. Проаналізовано способи контролю температури СПП. Обгрунтовано необхідність використання слідкуючої системи, яка контролює температуру СПП по одному з його температурозалежних параметрів.

На основі отриманих висновків сформульовано наступні задачі дисертаційної роботи: розробка математичної моделі процесу індукційної пайки складених п'єзокерамічних перетворювачів для визначення зв'язку параметрів та режимів роботи джерела високочастотної напруги з фізичними характеристиками процесу нагріву; розробка системи автоматичного керування пайкою та поляризацією СПП з метою підвищення показників їх якості; дослідження та оптимізація системи автоматичного керування пайкою СПП для визначення її оптимальних параметрів, режимів і умов протікання технологічного процесу пайки.

У третьому розділі виконано розробку математичної моделі процесу індукційної пайки складених п'єзокерамічних перетворювачів.

Сформульовано передумови та мету розробки математичної моделі пристрою для пайки СПП та процесу індукційного нагріву. Математична модель розробляється з метою зв'язати режими роботи установки індукційного нагріву з процесами, які протікають в системі індуктор-загрузка. Окрім моделювання температурних полів в загрузці, математична модель буде використовуватись під час оптимізації режимів роботи пристрою для пайки.

Показано, що для більш адекватного моделювання процесів в пристрої індукційної пайки необхідно використовувати електротеплову модель, основану на чисельному вирішенні рівняннь електромагнетизму та теплопровідності. В загальному вигляді така модель являє собою систему диференційних рівняннь, яка вводить взаємозалежність електромагнітного та теплового полів.

Далі у розділі проводиться постановка задачі математичного моделювання і визначаються вимоги до моделі та початкові припущення. Процес нагріву СПП в пристрої індукційного нагріву (ПІН) описується системою нелінійних диференційних рівняннь електромагнітного поля та теплопровідності (3). Система являє собою двомірну електротеплову модель індукційного нагріву тіла з поперечним прямокутним перерізом. Надалі, завдяки прийнятим припущенням, які спрощують задачу, суттєво не впливаючи на ії сутність, здійснено перехід від двумірної задачи до одномірної по просторовій змінній. Показано, що такий перехід залишає незмінною фізичну сутність процесу.

(3)

де ? - питомий опір; ????кругова частота; ????відносна магнітна проникність; ?_????магнітна проникність вакууму; ??комплексна напруженість магнітного поля; ????теплопровідність; ????питома об'ємна густина внутрішніх джерел теплоти; с - питома теплоємність.

Далі здійснюється дискретизація математичної моделі. Показано, що для розв'язання поставленої задачи доцільно використати метод Гальоркіна для диференційних рівняннь у частинних похідних. Для проведення дискретизації виконано заміну функції невідомого вигляду комбінацією кінцевого числа функцій відомого вигляду з невідомими коефіцієнтами. У такій постановці задача вирішення системи (3) зводиться до визначення невідомих коефіцієнтів апроксимації. Для апроксимації використано кусочно-поліноміальні базисні функції.

Після підстановки апроксимуючих функцій рівняння для теплового поля має наступний вигляд:

(4)

Для зручності подальших розрахунків здійснено перехід до місцевої координати, при цьому наведене вище рівняння, приймаючи до уваги введення базисних функцій q, має наступний вигляд:

(5)

Рівняння (5) визначає апроксимований вклад елемента і; в результаті переходу до матричної форми запису, рівняння (5) отримує наступний вигляд:

(6)

где - вектор варіацій температури;

- вектор похідних температури за часом;

- вектор температур;

- вектор питомих потужностей внутрішніх джерел теплоти; aⁱ та cⁱ -матриці коефіцієнтів.

Сумуючи вклади елементів та ансамблюючи матриці коефіцієнтів отримуємо наступний вигляд рівняння:

, (7)

або, зважаючи на довільність та незалежність компонентів [dT]^T:

 (8)

Рівняння (8) являє собою систему звичайних лінійних диференційних рівняннь зі сталими коефіцієнтами і може бути вирішена будь-яким з існуючих методів. Розв'язання інших рівняннь системи (3) проводиться аналогічним методом.

Під час чисельного експерименту на отриманій моделі одержано наступні результати: розподілення температурного поля та напруженості магнітного поля по перерізу СПП в залежності від режимів генератора високочастотної напруги; на рис. 1. приведено залежність температури по перерізу СПП на різних часових шарах.

Далі було виконано перевірку моделі двома шляхами: дослідження збіжності чисельного рішення при збільшені ступеню дискретизації, та порівняння із точним (аналітичним) розв'язанням спрощених подібних задач. Було доведено, що розроблена модель адекватно відбиває поведінку фізичної системи в заданому діапазоні варіації просторово-часової дискретизації та незалежних змінних.

В наступному чисельному експерименті було визначено область оптимальних параметрів та режимів функціонування пристрою для індукційної пайки. Графічно отримані результати показано на рис. 2.

У четвертому розділі

У першій частині четвертого розділу запропоновано новий спосіб регулювання напруги поляризації з метою зменшення термічної деполяризації п'єзоелементів під час пайки. Схема на рис. 3 пояснює цей спосіб. Робота схеми базується на температурній залежності амплітуди прийнятого сигналу. Запропоновано структурну схему системи автоматичного керування процесом пайки СПП, яка застосовує описаний вище спосіб контролю температури.

Введено наступні скорочення: СКГВН-система керування генератора високочастоної напруги; ГВН- генератор високочастоної напруги; І-індуктор; СКІПН-система керування імпульсним перетворювачем напруги; ІПН- імпульсний перетворювач напруги; І_з-струм індуктора заданий; Q-теплова енергія; U_дп- напруга на вході детектора перетворювача; U_пол-напруга поляризації.

На рис. 5 наведено структурну схему розробленої системи автоматичного керування пайкою СПП. Показано, що лінеаризована передавальна функція такої системи по каналу регулювання напруги поляризації має вигляд:

(9)

Проведено дослідження розробленого експериментального зразку САК пайкою СПП. Отримано закони зміни напруги поляризації від температури. Показано, що змінюючи параметри пристрою регулювання напруги поляризації можна впливати на ії залежність від температури. Проведено дослідження динамічних властивостей розробленої САК, на підставі чого зроблено висновок, що система є стійкою,

У другій частині четвертого розділу виконано дослідження запропонованої САК та розробку рішень по оптимізації процесу пайки СПП, а також оптимізацію параметрів та режимів роботи пристрою регулювання напруги поляризації.

З використанням методики Бокса-Уілсона планування експерименту при пошуку оптимальних умов отримано рівняння регресії для параметра оптимізації - механічної добротності. Проведено градієнтний спуск, в результаті чого знайдено точку оптимуму в факторному просторі незалежних змінних. Було виготовлено контрольні партії СПП, на режимах, знайдених під час експериментальної оптимізації. Вимірювання їх характеристик показало зростання показнику якості порівняно з існуючим технологічним процесом. Основні показники зведено в таблиці 1.

Таблиця 1

Показники якості технологічного процесу.

Результати свідчать, що значення механічної добротності зросло, також збільшилась повторюваність параметрів СПП.

У другій частині четвертого розділу проведено теоретичну оптимізацію параметрів та режимів роботи пристрою регулювання напруги поляризації. Отримано результати, згідно яким найкращі умови для поляризації складаються, коли збігаються функціональні залежності пробивної напруги та напруги поляризації від температури. Критерієм є максимальне значення механічної добротності СПП.

Далі було проведено оптимізацію параметрів ПРНП, метою якої було відшукання таких параметрів ПРНП, при яких форма залежності напруги поляризації від температури найбільш повно співпадає з температурною залежністю пробивної напруги п'єзокераміки. Для проведення оптимізації було виведено мінімізуючий функціонал, до якого входять параметри структурної схеми САК:

(10)

де W_прнп (K, k_е) - передавальна функція пристрою регулювання напруги поляризації; К-коефіцієнт підсилення перетворювача напруги; k_е - еквівалентний коефіцієнт підсилення вхідного підсилювача; - зразкова напруга поляризації; - напруга на вході ДП.

Для оптимізації було використано метод наіскорішого спуску. В результаті було отримано параметри, які мінімізують відхилення поляризуючої напруги від зразкової залежності. В якості зразкової використовувалась залежність пробивної напруги від температури, приведена до необхідного діапазону зміни напруги поляризації. Отримані залежності показано на рис. 8 Далі зазначено, що розроблене устаткування для пайки та поляризації СПП нечутливе до розкиду параметрів комплектуючих і може бути використане для пайки СПП інших типів. Розроблена методика моделювання індукційного нагріву може бути використана під час подібних розрахунків для малих тіл неоднорідної структури.

Запропоновані спосіб та САК поляризації п'єзоелементів СПП, а також методика розрахунку оптимальних технологічних режимів, можуть, після відповідної доробки, використовуватись в будь-яких технологічних процесах пайки п'єзокераміки до металу.

ВИСНОВКИ

Виконана дисертаційна робота є узагальненням та вирішенням комплексу питань, які мають наукове, практичне та прикладне значення.

1. Практично доведено можливість використання індукційного нагріву при пайці СПП. При цьому для даної загрузки визначено оптимальну частоту струму індуктору по критерію максимума ККД. Виготовлена, досліджена та впроваджена у виробництво експериментальна установка для індукційної пайки СПП.

2. Шляхом сумісного вирішення диференційних рівняннь теплопровідності та напруженості електромагнітного поля отримано математичну модель процесу індукційного нагріву СПП, яка дозволяє зв'язати режими роботи пристрою нагріву з фізичними характеристиками процесу пайки.

3. Розроблено САК пайкою СПП, яка складається з пристрою індукційного нагріву та пристрою автоматичного регулювання напруги поляризації, яка дозволяє підтримувати та автоматично регулювати напругу поляризації в залежності від температури п'єзоелементів.

4. Проведено дослідження розробленої системи автоматичного керування пайкою СПП та оцінка адекватності САК, в результаті чого вироблено практичні рекомендації по її використанню.

5. З використанням методики планування експерименту отримано модель, яка описує залежність механічної добротності СПП від режимів технологічного процесу пайки. На основі одержаної залежності проведено експериментальну оптимізацію режимів та визначені їх оптимальні значення, які забезпечують максимум механічної добротності СПП.

6. Запропоновано новий спосіб керування технологічним процесом пайки СПП, на основі котрого розроблено, досліджено та впроваджено пристрій регулювання напруги поляризації СПП, який забезпечує автоматичне регулювання напруги поляризації в залежності від температури п'єзоелементів.

7. Проведено оптимізацію параметрів розробленого пристрою регулювання напруги поляризації з метою визначення оптимального закону керування напругою поляризації. Зазначено, що оптимальним є випадок, коли збігаються функціональні залежності пробивної напруги та напруги поляризації від температури.

8. В результаті впровадження розроблених пристоїв та застосування знайдених під час оптимізації технологічних режимів, значення показника якості СПП - механічної добротності, зросло на 16%.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В ТАКИХ РОБОТАХ

Гонтовой С. В. Устройство для поляризации пьезоэлементов во время пайки составных пьезокерамических преобразователей// Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 1998. -№1. - С. 20-22.

Гонтовой С. В. Математическое моделирование процесса индукционного нагрева составных пьезокерамических преобразователей. // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 1998. -№3-4. - С. 38-41.

Паэранд Ю. Э., Гонтовой С. В. Оптимизация процесса пайки составных пьезокерамических преобразователей. //Вестник МАНЭБ (IAELPS), С. -Петербург, выпуск №4 (12). -1998г. -С. 92-93.

Паэранд Ю. Э., Гонтовой С. В. Автоматическое управление процессом пайки составных пьезокерамических преобразователей. //Труды 4-й Украинскаой конференции по автоматическому управлению “Автоматика-97”, том 4. -Черкассы. -1997. - С. 40.

Пат. 23380А Украина МКИ В23К³/₀₀. Пристрій для паяння складених п'єзокерамічних перетворювачів/Паеранд Ю. Е., Гонтовий С. В. (Україна) - №95030971; Заявл. 01. 03. 1995; Опубл. 31. 08. 1998, Бюл. №4

Гонтовой С. В., Паэранд Ю. Э. Устройство для пайки составных пьезокерамических преобразователей. // Труды Международной научно-технической конференции “Силовая электроника в решении проблем ресурсо- и энергосбережения”. - Алушта. - 1996. -С. 21.

Особистий внесок автора в роботах, що опубліковані в співавторстві, полягає у наступному: запропоновано новий спосіб поляризації п'єзоелементів СПП [6], розроблено структурну схему та принцип дії пристрою поляризації [4, 5], проведено оптимізацію режимів технологічного процесу пайки СПП [3].

АНОТАЦІЇ

Гонтовий С. В. Система автоматичного керування технологічним процесом пайки складених п'єзокерамічних перетворювічів. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05. 13. 07-Автоматизація технологічних процесів. Донецький державний технічний університет. Донецьк, 1999.

У роботі досліджено та проаналізовано технологічний процес пайки складених п'єзокерамічних перетворювачів з точки зору підвищення показників їхньої якості, та забезпечення повторюваності параметрів. Розглянуто основні етапи формування характеристик складених п'єзокерамічних перетворювачів, та виділено фактори, які впливають на значення параметру їхньої якості - механічної добротності. Запропоновано, розроблено та досліджено систему автоматичного керування технологічним процесом індукційної пайки складених п'єзокерамічних перетворювачів. Запропоновано новий спосіб регулювання напруги поляризації. Розроблено математичну модель пристрою та процесу індукційної пайки складених п'єзокерамічних перетворювачів. Проведено оптимізацію параметрів та режимів роботи розробленого пристрою для індукційної пайки з метою поліпшення показника якості складених п'єзокерамічних перетворювачів. Впроваджено у виробництво розроблений пристрій.

Ключові слова: складений п'єзокерамічний перетворювач, індукційна пайка, математична модель індукційної пайки, система автоматичного керування, пристрій регулювання напруги поляризації, оптимізація параметрів.

Гонтовой С. В. Система автоматического управления технологическим процессом пайки составных пьезокерамических преобразователей. -Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05. 13. 07-Автоматизация технологических процессов. Донецкий государственный технический университет. Донецк, 1999г.

В работе исследован и проанализирован технологический процесс пайки составных пьезокерамических преобразователей с точки зрения повышения показателей их качества и улучшения повторяемости параметров. Рассмотрены основные этапы формирования характеристик СПП и выделены факторы, которые влияют на значения показателя их качества-механической добротности. Установлено, что резервы по повышению показателя качества составных пьезокерамических преобразователей следует искать в автоматизации технологического процесса. С этой целью было проведено исследование, в результате которого установлены факторы, оказывающие влияние на значение механической добротности. Разработана математическая модель устройства и процесса индукционной пайки составных пьезокерамических преобразователей. Модель позволяет связать параметры и режимы работы устройства индукционного нагрева с физическими характеристиками процесса нагрева - распределением температуры по сечению СПП и динамикой нагрева. В результате численного эксперимента на разработанной модели получено значение оптимальной области рабочих частот устройства индукционного нагрева. В качестве критериев использовались следующие показатели: КПД устройства, время пайки и энергия, затрачиваемая на пайку. Для определения оптимальных режимов протекания технологического процесса пайки проведена экспериментальная оптимизация с использованием методики планирования эксперимента Бокса-Уилсона. В качестве независимых переменных были выбраны время пайки, напряжение поляризации и один из параметров устройства регулирования напряжения поляризации, влияющий на режим поляризации. По результатам эксперимента определена область оптимальных режимов в факторном пространстве независимых переменных. При найденных режимах были изготовлены контрольные партии составных пьезокерамических преобразователей. Измерение их параметров показало увеличение значения механической добротности на 16% по сравнению с существующим технологическим процессом. Предложен новый способ регулирования напряжения поляризации. Согласно этому способу между пьезоэлементами, установленными на металлическое основание, передается тестовый сигнал. Амплитуда сигнала на приемном пьезоэлементе обратнопропорциональна температуре пьезокерамики. По динамике затухания тестового сигнала можно судить об изменении температуры составного пьезокерамического преобразователя. Предложена, разработана и исследована система автоматического управления напряжением поляризации, в которой использован предложенный способ контроля температуры пьезокерамики. Установлено, что наиболее благоприятным режимом поляризации является режим, когда совпадают виды температурных зависимостей напряжения поляризации и пробивного напряжения пьезокерамики. С целью определения оптимального вида зависимости напряжения поляризации от температуры проведена оптимизация параметров устройства регулирования напряжения поляризации. Для этого был получен минимизирующий функционал, в который в качестве независимых переменных были включены параметры устройства, влияющие на вид оптимизируемой зависимости. Оптимизация была выполнена с использованием метода градиентного спуска. Минимизации подвергалось отклонение напряжения поляризации от образцовой зависимости. В качестве образцовой была принята температурная зависимость пробивного напряжения, приведенная к рассчитанному диапазону изменения напряжения поляризации. В результате оптимизации получены параметры устройства регулирования напряжения поляризации, минимизирующие указанное отклонение. Даны рекомендации по применению разработанной системы автоматического управления технологическим процессом и оборудования. Предложенный способ регулирования напряжения поляризации, САУ и технологическое оборудование, разработанное на его основе, может использоваться в любых технологических операциях, где возникает необходимость пайки пьезокерамики к металлу. Разработанное устройство внедрено в производство.

Ключевые слова: составной пьезокерамический преобразователь, индукционная пайка, математическая модель индукционной пайки, система автоматического управления, устройство регулирования напряжения поляризации, оптимизация параметров.

Gontovoi S. V. System of autocontrolling by technological process of soldering the component piezoceramic converters. -Manuscript.

Thesis for a candidate's degree of technical sciences on speciality 05. 13. 07- Automation of technological processes. Donetsk State technical university. Donetsk, 1999г.

In work explored and analysed technological process of soldering with- component piezoceramic converters from standpoints of raising show-their quality and perfecting repeatability of parameters. Considered main steps of tecnological procesis shaping the features of component piezoceramic converters and chosen factors, which influence their quality factor - mechanical good quality upon values of. Offered, designed and explored autocontrol system for induction soldering the component piezoceramic converters. Betrayed-reaped new way of regulation of voltage. Designed mathematical device model and process induction soldering the component piezoceramic converters. Conducted optimization of parameters and states of working developping device for induction soldering for the reason raising a quality factor component piezoceramic converters. Dvelopping device is introduced in the production.

Keywords: component piezoceramic converter, induction soldering, mathematical model of induction soldering, voltages polarizations controling device, autocontrol system, parameters optimization.

Размещено на Allbest.ru