Анализ обработки поверхности атмосферной плазмой в режиме реального времени

Измеряя динамическую электрическую кривую, процесс обработки атмосферной плазмой можно контролировать и регулировать. Тщательный анализ измеренных значений тока и напряжения предоставляет множество информации о процессе, поэтому не требуется никаких дополнительных датчиков.

 

Умный технологический контроль

 

Наиболее эффективный путь для профилактического обслуживания и избегания простоя оборудования –подробное знание техпроцесса и всех его основных параметров.

В частности, планирование технического обслуживания сталкивается с проблемой ежедневного обеспечения максимальной эксплуатационной готовности машины. И в то же время, сведения к минимуму расхода материалов для обслуживания и ремонта. Данное требование большинство существующих методик обслуживания не может удовлетворить. Сопла, используемые при обработке атмосферной плазмой, имеют ограниченный срок жизни. Либо сопла меняются профилактически через определенные промежутки времени, учитывая, что эксплуатируется лишь около 70% от их потенциального жизненного цикла. Либо процесс продолжается вплоть до того момента, когда становится очевидным — желаемый эффект от обработки начинает ухудшаться. Во многих случаях второй вариант является неприемлемым, поскольку, может привести к получению некачественной продукции.

 

Существуют и другие условия, которые влияют на стабильность техпроцесса. Например, флуктуации или ошибки в техпроцессе могут быть вызваны системой подачи сжатого воздуха или газа.

 

В интегрированных сетях часто говорят о термине «Индустрия 4.0» как об одном из ключей к успешной работе. Возможности сети не являются эффективными без способности распознавать основные закономерности в первичных данных техпроцесса и, следовательно, запускающих событий. Например, технического обслуживания или изменения настроек.

 

Предлагаемое RelyonPlasma решение для профилактического обслуживания открывает новые возможности для записи текущих параметров процесса плазменной обработки в режиме реального времени без использования дополнительных датчиков, чувствительных к неисправностям. Данные сканируются на выявление закономерностей, которые указывают на возможные ошибки. Возможные сбои или неисправности могут быть заранее обнаружены, лучшим образом спланированы и инициированы корректирующие меры с целяю избегания непредвиденных простоев оборудования и оптимального использования рабочего персонала и технических ресурсов.

 

Если информация интегрирована в систему организации производства (Manufacturing Execution System), существует множество возможностей для планирования технического обслуживания, обеспечения качества производства и наличия технологической документации.

 

Плазменная система

 

Обработка атмосферной плазмой применяется во множестве областей промышленности. Компания RelyonPlasma разработала компактные и надежные плазменные генераторы с применением различных сопел. Использование однополярного высоковольтного источника и вихревого потока внутри сопла удерживает электрическую дугу от стабилизации в «горячую точку». Дуговой разряд вращается с высокой частотой в камере сгорания. Несмотря на высокую плотность энергии, разогрев сопла минимален и практически отсутствует эрозия электродов. Температура плазмы может быть просто настроена в широком диапазоне значений.

 

relyon-plasma-plasmasystem-plasmabrush-pb3-hochleistung-800x450

Рис 1. Высоковольтный источник питания PS2000 в 19 дюймовом корпусе, выполненном в соответствии со стандартом IP20, высоковольтный кабель (10 м) и генератор Plasmabrush®

Инновационный подход в контроле техпроцесса основан на прецизионном контроле электрического импеданса плазменного разряда с высоким разрешением во времени. Необходимая технология измерения интегрируется в высоковольтный источник питания PS2000 по умолчанию. Собранные данные обрабатываются и отправляются в цифровом формате на шину, без необходимости использования дополнительных датчиков. PS2000 разработан специально для совместимости с независимым промышленным стандартом CanOpen, который обеспечивает надежный и безопасный обмен информацией даже в жесткой производственной среде.

 

Множество датчиков, газовых расходомеров и контроллеров также управляются в соответствии со стандартом CanOpen. Все промышленные системы контроля, наиболее часто используемые в мире, применяют данные интерфейсы.

 

 

real time analyz 1

Рис 2-1. Стандартный комплект подключения к USB, включая конвертер, CAN кабель, согласующий резистор

Рис. 2-2. Решение для интеграции в систему управления Profibus или Beckhoff

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для непосредственного подключения к ПК RelyonPlasma предлагает компактный USB/CAN интерфейс и специализированное ПО PlasmaControl для контроля и визуализации техпроцесса. Данные с динамической электрической карты могут быть записаны с высоким временным разрешением и переданы на ПК. Естественно, такой принцип передачи данных может быть основан на базе промышленных PLC контроллеров и IPC.

 

Типовые параметры техпроцесса, которые влияют на эффект обработки поверхности плазмой:

— расстояние обработки

— состав рабочего газа, объёмный поток или предварительное давление газа

— состояние сопла

— проводимость обрабатываемой поверхности

— настройки выходной мощности плазмы

 

Система высшего порядка определяет несколько дополнительных параметров, таких как скорость или траектория движения плазменного сопла относительно обрабатываемой поверхности.

Вариации во всех этих значимых параметрах могут быть рассчитаны для прецизионного, с разрешением по времени, измерения мощности и напряжения в контуре управления источника питания PS2000. Струя атмосферной плазмы, таким образом, является своего рода зондом или датчиком, чувствительным к любым изменениям условий процесса. В самом простом случае, предупреждающие сигналы могут оповестить о превышении заранее заданных диапазонов карты электрических значений.

 

Типовые регистрируемые параметры работы плазменного генератора

 

Изменения в подаче сжатого воздуха

 

Любое изменение воздушного потока в плазменном генераторе меняет характеристики горения. На практике всегда возможно найти рабочую область, которая обеспечит плавный процесс и где небольшие флуктуации не будут иметь значения. Тем не менее, неожиданные кратковременные сбои в работе или постоянный дрейф (изменение предварительного давления) могут привести к тому, что признаки систематической ошибки в подаче сжатого воздуха могут стать очевидными.

Даже если горение плазменной струи остается неизменным для невооруженного глаза, колебания в расходе воздуха всего лишь на 1% могут быть с высокой точностью идентифицированы в электрических параметрах.

 

Карта электрического сигнала

Рис 3. Зависимость параметров напряжение/ток от изменения подачи сжатого воздуха. За несколько часов в системе подачи воздуха были сделаны стохастические поправки, параметры напряжение/ток рассчитаны системой PS2000. С ростом потока воздуха увеличивается рабочее напряжение, а рабочий ток уменьшается. В обычных рабочих условиях это соотношение является линейным

Флуктуация напряжения

Рис 4. Падение подачи сжатого воздуха. Краткое падение (менее 0,5 с) вызывает неустойчивое горение плазмы. Такой короткий сбой не приводит к отключению системы и она продолжает стабильно работать

 

 

 

Пример моментального прекращения подачи сжатого воздуха (Рис. 4. например, в случае перегиба шланга) наглядно это иллюстрирует. Электрический отклик показывает микроструктурную характеристику нарушенного вихревого потока. Флуктуации в значении потока вызывают резкое падение среднего напряжения и электрическая дуга зажигается нестабильным образом со случайно варьируемой длиной и интенсивностью. Задержки могут быть определены с временным разрешением в миллисекундах.

 

На практике, для системы нежелательно сразу выключаться при наличии коротких флуктуаций. В этот короткий временной интервал технической неисправности, обрабатываемое изделие может быть обработано не полностью и сообщение об ошибке должно быть передано головной системе.

 

 

Процесс старения сопла

 

Процесс старения сопла

Рис 5. Сравнение сопла после 200 часов работы с соплом, которое превысило допустимый износ. Оба сопла продолжают обеспечивать высокое качество обработки поверхности и работают при одинаковой электрической мощности. Изношенное сопло начинает показывать первые признаки мерцания и изменения геометрии горения, которое наблюдается в шестикратном изменении предела электрических колебаний

Процесс старения сопла главным образом вызван оксидной эрозией катода. С наружной стороны сопло обесцвечивается и проявляются признаки эрозии на выходе из него. Даже когда наблюдается износ внешней поверхности, сопло может продолжать стабильно работать в течении долгого времени и полностью выполнять задачу, например, активацию поверхности. Практический вопрос состоит в том, когда необходимо заменить сопло и как система сообщит о необходимости замены.

Все процессы старения имеют похожую закономерность, при которой уменьшается первоначальное рабочее напряжение. Следовательно, для поддержания режима заданной мощности рабочий ток увеличивается на соответствующее значение. В то время как ни абсолютное значение напряжения, ни рабочий ток не являются индикаторами износа сопла, их флуктуация является надежным показателем неустойчивого горения.

 

 

Изменение геометрии горения пламени и нестабильные рабочие режимы отражаются на увеличении стандартной девиации измеренных значений тока и напряжения во времени. Эта информация дает возможность предупреждающей замены сопла, до его выхода из строя, без снятия и визуального контроля.

 

 

Изменения в потреблении рабочего газа

 

Изменение газовой смеси

Рис 6. Влияние газового состава на параметр напряжение/ток. Кислород постепенно добавлялся в азот, пока его концентрация не составила 0,5%. Даже изменение концентрации на 0,1% значительно влияет на контролируемый параметр

В ряде применений вместо сжатого воздуха используются другие газы или их смеси — кислород, азот, формир-газ и т.д. Поверхности, склонные, например, к окислению, должны обрабатываться инертными или восстановительными газами. Даже небольшое содержание кислорода препятствует протеканию процесса и значительно меняет химию плазмы. Параметр напряжение/ток очень чувствителен к изменению газового состава.

Добавление в азот даже небольшого количества кислорода (его концентрация составила 0,1%) было достоверно определено. Высокая чувствительность данного параметрического метода может использоваться во всех процессах обработки плазмой, где применяются газовые смеси.

 

Изменение в их составе может производиться сознательно либо быть причиной сбоя, например, утечки газа.

 

 

Изменения в характеристиках обрабатываемой поверхности

 

 

Сканирование поврехности плазмой

Рис 7. В данном эксперименте плазменный генератор обрабатывал печатную плату с постоянной скоростью. Как только пламя плазмы начинает пересекать плату, электрический импеданс меняется. Это происходит снова, когда пламя переходит от металлизированных слоев платы на не металлизированные

В промышленных процессах для обработки поверхности сопло обычно направляется в соответствии с заданной программой. Если обрабатываемое изделие, например, электронная плата, состоит из областей с различными омическими и диэлектрическими характеристиками, эти изменения будут отражаться на электрических параметрах высокочастотного плазменного процесса. Если пламя плазмы используется как диэлектрический зонд, частота пульсаций может быть изменена в целях проведения бесконтактного (чисто электрического) сканирование материала.

 

Таким образом, производственный процесс может быть адаптирован, например, на определение потери изделия или наличия неправильного изделия на конвейере.

 

 

Изменения в рабочей дистанции (дистанции обработки)

 

Изменение дистанции при обработке поверхности атмосферной плазмой

Рис 8. Зависимость кривой напряжения и тока от дистанции обработки. При снижении дистанции обработки с 20 мм до 4 мм видно изменение кривой напряжения и тока. При дистанции более 20 мм кривая уплотняется и приближается к поведению струи, идентичном полному открытию источника плазмы

Рабочая дистанция один из параметров, которые имеют особую важность для соответствующего взаимодействия между плазмой и обрабатываемой поверхностью. Локальная интенсивность воздействия плазмы резко и нелинейно возрастает с уменьшением рабочего расстояния. Плазменная струя максимально фокусируется около выхода из сопла и имеет максимальную температуру в этой области. Следовательно, в данной горячей области находится более высокая концентрация неравновесных частиц (ионов, радикалов, диссоциированных молекул). В целях обеспечение одинаковой обработки поверхности, рабочая дистанция должна оставаться постоянной с отклонением не более ±1 мм. Качественные результаты в пределах указанного допуска достигаются поддержанием постоянной скорости обработки и поддержанием среднего рабочего расстояния.

 

Пример. При производстве автомобилей перед нанесением полиуретанового уплотнения на кузов контур, на который наносился материал, был предварительно активирован плазмой. Плазменное сопло и сопло для подачи герметика были установлены на многоосевой робот. Позиционирование автомобиля относительно робота может привести к отклонениям требуемых параметров обработки т.к не будут соблюдены требуемые пределы допуска. Чтобы не допустить это, процесс обработки может быть стабилизирован за счет адаптации рабочих параметров плазменного генератора под движение работа без механической переналадки исходных позиций. В качестве альтернативы, траектория движения робота может быть динамически перепрограммирована. Информация о рабочем расстоянии, полученная от процесса плазменной обработки, может быть считана и служить в качестве датчика столкновения изделий или быть зарегистрирована в виде набора данных Q3-данные.

 

 

Заключение

 

Система плазменной обработки Plasmabrush® с высоковольтным источником PS2000 поставляет ключевые данные процесса обработки в цифровом виде, на основе которых может быть получена и интерпретирована информация о процессе. В тесном сотрудничестве с Заказчиком, определяются рабочие параметры операций для достижения требуемых результатов обработки. Оптимизированное межплатформенное соединение позволяет провести эффективную интеграцию процесса техобслуживания и сбора информации о процессе в центральную систему управления.

 

Данная возможность соответствует идеологии Индустрии 4.0 т.к нацелена на обеспечение взаимосвязи между экспертными знаниями, производством и информацией о техпроцессе.

Введите Ваше имя, e-mail и телефон
чтобы получить каталог
по системам Relyon Plasma GmbH

Как к Вам обращаться?

Email:

Номер телефона:

Мы всерьёз озабочены безопасностью данных и не передадим контактную информацию третьим лицам!

Нажимая кнопку на запрос каталога, я подтверждаю свое согласие на получение информации о представленном оборудовании, дееспособность и согласие на обработку персональных данных в соответствии с указанным здесь текстом.

Здравствуйте! Уделите нам еще 1 минуту. Вам интересны испытания на воздействие плазмы на ваши образцы? Их можно сделать в лаборатории Relyon Plasma. Она проводит исследования с различными задачами и материалами. В разделе "Применение" нашего сайта указаны основные эффекты обработки, результатами мы готовы поделиться бесплатно. Что скажете, хотели бы провести такие испытания? Если да, сообщите нам по тел. +7(499)3-722-522 или почте info@partitech.ru. Кстати, ваш запрос успешно доставлен и уже принят в работу!