Анализ достоверности информации по форме сигнала датчика стыка при электронно-лучевой сварке

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».

Устройство работает следующим образом. СУ с помощью отклоняющих систем ОС _z и ОС _у периодически на короткое время прерывает процесс сварки и перемещает электронный луч 1 по траектории 2. При движении луча / в направлении стыка по оси Z датчик стыка РДС измеряет интенсивность рентгеновского излучения и . в каждой точке траектории z . 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 Z и анализа достоверности сигнала. Если сигнал от стыка признан достоверным, то СУ выдает сигнал коррекции Z . 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 z :

m z, = Z z.n.                 (1)

i = 1      n

Далее находим среднеквадратическое отклонение рас

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

пределения сигнала от стыка

σ

z

m

J X ( z , - z , ) 2

i = 1

n_i ( n - 1)

где и. - число отсчетов датчика РДС точке z.; т - число точек на оси Z, в которых происходит измерение; m n = ^ ni - объем выборки.

i = 1

Четвертый момент распределения

m

4 = Е ( z , - z , ) 4 - i .

i = 1                n

χ _z

µ

Эксцесс распределения г _z = —г и контрэксцесс

1                                z σ4 _z

.

ε _z

Энтропийный коэффициент распределения [1]

1 ^m

- ∑ nlg n k=∆zn 10 ni=1 i i

2 а _z

.

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 (к = 0, у^ 0)

соответствует распределению Коши; точка b (к = 1,35, X = 0,199)- экспоненциальному распределению с показателем степени а = 1 / 2; точка с (k _эz = 1,92, X _z = 0,408) -распределению Лапласа с показателем степени а = 1; точка d (k _эz = 2,066, X_z = 0,575) - нормальному распределению с показателем степени а = 2; точка е (к = 1,73, X _z = 0,745) - равномерному распределению с показателем степени а = =» 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 7, 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 ординаты стыка. Ширина этого интервала 2z^ принимается равной энтропийному значению ширины распределения сигнала от стыка и может быть рассчитана по формуле [1]

1 ^m — х ni ig ni

2 z _? = A z • n - 10 ni = 1 , (5) где и . - значение отсчетов сигнала от стыка в точке z . ; и - объем выборки; Az - ширина интервала между соседними отсчетами.

Ширину интервала 2z^ определяем после компенсации постоянной составляющей.

Более точно ширину интервала 2z 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 2z^ = 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. Отображающие 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 k_{э z} = 1,9. Форма этих распределений может быть признана

№ 1

0   5    10    15    20   25   30 z x 0,1mm

0    5     10    15    20    25    30 z x 0,1mm

№2

0     5     10    15    20    25    30 ^{zx 0},^{1 mm}

№3

0    5     10    15    20    25   30   ^{zx 0},^1mm

Рис. 2. Реализации сигнала от стыка с различным уровнем помех

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 (к = 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.

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]

k ,

при 0,2 <%< 0,527,

,        п e , _ .         1

при0,527<х<0,747. (7)

k ■=v т^{- 694} 1 ^х-з

V /

Распределение считается экспоненциальным, если kэ - 5% < kэz < kэ + 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 Х_п, 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 к и % _z не превосходят разброса оценок:

к -5%<к <к +5%.        (9)

э.п                 эг э.п

Если энтропийный коэффициент формы сигнала датчика к 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) оп и экспоненциального с С К О оэксп. Их относительное значение С = °" на участке 0,2 <%< 0,745 °эксп может быть определено аппроксимирующим выражением [1]

Cp = 0,77 + 35,6 х х 0,8 (k, - кэz )2 + (k, - кэz )(Zz - 0,288) + 0,025%z ], (10) п e где kн = J 2—энтропийный коэффициент нормального распределения.

Значения коэффициентов формы распределения сигнала от стыка

№ серии	Т^к Хуча /^МА	CKO, y z ■ 10 z 1, мм	Энтропия Hz, дит	Энтропийный к^эт т ифиентнт К^	К^нтрэкфесс ч
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 оэкс. Другой вызван действием помехи и может быть принят как равномерный закон распределения с средним квадратическим отклонением о . 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

°_Z = \° к ^{+ 0} .             (11)

Форма результирующего распределения зависит от вида закона распределения плотности тока и относительного веса составляющих С = —— суммарного распре-°экС деления.

Относительное значение С_р может быть использовано для оценки погрешности измерения координаты стыка. Действительно, учитывая, что o z = а^ + с ; , получим

О

О z

I . Погрешность может быть определена как

1+Л

C ^{2 p}

Ап=1,6оп.

Если энтропийный коэффициент распределения сиг-налаотстыка^ = 1,73±5%,аконтрэксцесс% -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 к_ < 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.