УДК 621.791.75.037

Применение среды графического программирования LabVIEW для создания программы обработки температурно-временных зависимостей зарегистрированных при проволочно-дуговом выращивании

Карпов Вячеслав Михайлович – старший преподаватель кафедры Сварки судовых конструкций Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.

Куракин Артур Ильич – старший преподаватель кафедры Сварки судовых конструкций Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.

Струков Илья Геннадьевич – ассистент кафедры Сварки судовых конструкций Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.

Аннотация: Сформулированы требования к программе для обработки термических циклов, зарегистрированных при проволочно-дуговом выращивании. Приведены расчетные выражения для построения кривых мгновенных скоростей охлаждения и ряда других параметров. Представлены описание программы и её графический интерфейс. Изложена последовательность действий при работе с программой и показаны преимущества применения среды графического программирования в сравнении с более универсальными решениями.

Ключевые слова: LabVIEW, графическое программирование, термические циклы, тепловые процессы, WAAM, дуговое выращивание, сварка, подводная сварка.

Введение

Среда графического программирования LabVIEW созданная компанией National Instruments не нуждается в представлении: - о работе в ней написано множество статей, методических материалов и монографий [1]; - под управлением созданных в ней программ функционирует бессчетное количество систем – от самых простых до самых сложных [2, 3, 4]. Известно, что благодаря крайне низкому "порогу вхождения", LabVIEW позволяет исследователям из самых различных областей науки эффективно создавать прикладное программное обеспечение, для проведения своих лабораторных исследований. В данной работе рассмотрена программа, позволяющая существенно повысить производительность труда и облегчить труд исследователя, при регистрации и анализе термических циклов (ТЦ) точек, расположенных в зоне термического воздействия (ЗТВ) при исследовании тепловых полей в образцах, выращиваемых путем проволочно-дугового аддитивного производства (Wire-Arc Additive Manufacturing, WAAM).

Постановка задачи

Предпосылками к разработке программы являлись потребность повысить продуктивность выполнения экспериментальных исследований и обширные возможности LаbVIEW для её реализации. Одной из задач программы является получение, обработка и графическая интерпретация данных, полученных от разработанного регистратора для определения тепловых полей при проволочно-дуговом выращивании[5]. Сам обозначенный регистратор, не вписывается в рамки данной статьи ввиду того, что он регистрирует данные в стандартный файл в стандартной файловой системе на карте флеш-памяти, либо передает по стандартному протоколу проводной связи, как и ряд других аналогичных приборов. Следовательно, разработанная программа может не быть и не должна быть жестко привязана к конкретному прибору. Второй задачей является создание универсального инструмента (насколько это возможно, учитывая узкую специализацию данной темы).

1

Рисунок 1. Одна из возможных схем регистрации тепловых полей: 1 - подложка; 2 - горелка для электродуговой механизированной наплавки с среде защитных газов с плавящимся электродом; 3 - наплавленные слои выращиваемого образца; 4 - установленные термопары, показанные на поперечном сечении образца.

Повышение производительности исследований - это цель данной работы, из которой прямо следуют третья задача – необходимо разработать удобный интерфейс для комфортной работы с зарегистрированными данными. Из специфики исследования термических циклов также следует, что желательно отображение мгновенных скоростей охлаждения на одном поле построения с последними в зависимости от параметров ТЦ.

Основные положения

При наплавке слоев методом WAAM представляют интерес не только параметры термических циклов точек ЗТВ (рисунок 1), но и тепловые потоки через различные сечения образца. Последние исследования [6] показали высокую важность изучения влияния высоких скоростей охлаждения на структурные свойства металла при выращивании изделий из сплавов на основе алюминия.

При дуговом выращивании слои изделия подвергаются многократному местному интенсивному нагреву подвижным, сосредоточенным источником теплоты - электрической дугой. Теплота, выделяемая дугой, оплавляет кромки изделия и распространяется по его телу посредством теплопроводности. В связи с этим любая точка такого изделия подвергается многократным нагреву и охлаждению по мере приближения к ней источника нагрева и последующего распространения теплоты в объеме металла.

2

Рисунок 2. Общий вид термического цикла точки ЗТВ: To - начальная температура, К(°С); TMAX - максимальная температура, К(°С); t' - время выдержки выше заданной температуры T', с; W - мгновенная скорость охлаждения, К/с.

Представляет интерес как интегральное время пребывания точки в ЗТВ, так и характер цикличности оказанного на неё воздействия. Общий вид термического цикла точки ЗТВ приведен на рисунке 2.

Описание программы

На рисунке 3 представлено интерфейсное окно разработанной программы. Программа удовлетворят пользователей, решая все поставленные задачи. Обеспечена возможность отображения ТЦ всех выбранных каналов и единовременный вывод графиков мгновенных скоростей охлаждения W(t) для интересующих точек ЗТВ, которые определяются, как первая производная функции температуры от времени. Предусмотрена возможность отключаемой фильтрации (сглаживания) результатов расчета посредством ФНЧ Бесселя 2-го порядка с регулируемой полосой. Фильтрация весьма удобна для повышения наглядности при оперативном контроле параметров режима проволочно-дугового выращивания образцов. В режиме "USB" программа непрерывно сканирует поток входных данных с виртуального СОМ-порта компьютера, куда последние поступают от регистратора через rs232-USB преобразователь. Перезапуск сканирования осуществляется кнопками "Start-Stop".

Расчет времени выдержки осуществляется арифметически. Для определения теплового потока в программу на данный момент заложена одна модель образца выращиваемого в один слой до высоты "n" слоёв. Предполагается, что расстояние между термопарами равно или кратно толщине слоя - тогда результат расчёта корректен, либо без труда корректируется "в уме". Расчёт ведется по схеме мощного быстродвижущегося источника в неограниченной полу-пластине" по формулам изложенным в работе [7] с учётом работ [8, 9]. Для роботизированной наплавки слоёв при проволочно-дуговом выращивании характерны скорости перемещения источника нагрева до 90 м/час и выше [6], а сосредоточенность введения тепловой энергии (в сравнении со сваркой) повышается также от того, что источник движется по кромке образца. Вместе с тем, расчёты существенно усложняются ввиду непрерывного прибавления объема пластины, что на данный момент не позволяет производить их с высокой точностью в непосредственной близости от источника нагрева. Определение диапазона аппликат, для которых точность расчёта будет удовлетворять экспериментальным данным, а также корректировка математической модели тепломассообмена – это ещё одна причина, обусловившая разработку данной программы.

3

Рисунок 3. Окно разработанной программы с интуитивно понятным интерфейсом.

Для расчета теплового потока через продольное сечение образца данная версия программы позволяет задать его толщину (принимаемую численно равной средней ширине слоя) и выбрать любые две точки на заданном расстоянии друга от друга. Пользователей удовлетворяет такой подход, однако в случае необходимости число расчётных точек может быть без труда увеличено путём элементарного копирования соответствующих блоков в структуре программы.

Отдельно стоит отметить богатый функционал визуализации встроенный в программу, разработанную в среде графического программирования NI LabVIEW. Исследователь может в два "клика" "мышью" выполнить экспорт результатов в таблицу MS Excel (открывается в отдельном окне), а так же рисунки наблюдаемых зависимостей (рисунок 4) для оперативного обсуждения с коллегами в режиме "On-Line" либо для оформления публикаций.

4

Рисунок 4. Результат экспорта исходного (слева) и адаптированного (справа) изображений "в 2 клика".

Заключение

Пакет NI LabVIEW обладает широким и гибким функционалом, обеспечивая возможность быстро разрабатывать приложения для выполнения прикладных исследований. При этом уровень сложности решаемых задач хоть и пропорционален сложности их решений, однако "порог вхождения" очень низок. Авторы рекомендуют осваивать данный инструмент экспериментаторам из любых областей науки и техники. Разработанное ПО планируется использоваться не только для исследований в области аддитивных технологий, но и в других разделах сварочной науки, где высокие скорости охлаждения металла имеют место и представляют научный интерес. Например для изучения процессов теплопередачи при подводной сварке мокрым способом (непосредственно в водной среде) для определения влияния перехода от паро-плёночного кипения к пузырьковому на коэффициент теплоотдачи с поверхности [10] и для ряда других похожих задач. В связи с этим планируется дальнейшее расширение функциональных возможностей описанной программы. Также в перспективе добавление в программу функции отслеживания перемещения робота в декартовой системе координат, связанной с образцом для более точного сопоставления опытных и расчётных данных. Обзор литературы по применению [3, 4] LabVIEW в роботизации различных процессов (при экспериментальных исследованиях) показал, что такая модернизация не затребует чрезмерно большого количества ресурсов.

Благодарности

Успешная реализация данного проекта осуществлена в значительной степени благодаря Комитету по Науке и Высшей Школе города Санкт-Петербурга.

Список литературы

  1. Трэвис Дж., Кринг Дж. LabVIEW для всех. 4-е издание, переработанное и дополненное– М.: ДМК Пресс, 2011. – 904 с.
  2. Losito, A. Masi CERN Uses NI LabVIEW Software and PXI Hardware to Control World’s Largest Particle Accelerator / National Instruments: [сайт]. URL: https://www.ni.com/en-us/innovations/case-studies/19/cern-uses-ni-labview-software-and-pxi-hardware.html (дата обращения: 12.11.2020).
  3. Varchas Choudhry, Rajesh Singh, Anita Gehlot (2017) RSSI-Based Indoor Robot Localization System Using LabVIEW. In: Singh R., Choudhury S. (eds) Proceeding of International Conference on Intelligent Communication, Control and Devices. Advances in Intelligent Systems and Computing, vol 479. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-10-1708-7_31
  4. Borangiu T., Anton F.D., Anton S. (2010) LabVIEW Based Control and Simulation of a Construction Robot. In: Visa I. (eds) SYROM 2009. Springer, Dordrecht. https://doi.org/10.1007/978-90-481-3522-6_49
  5. Карпов В.М., Ефимов Е.И., Мурзин В.В. Разработка регистратора для определения тепловых полей при проволочно-дуговом выращивании / [Электронный ресурс]: НАУЧНЫЙ АСПЕКТ № 4-2020. URL: https://na-journal.ru/4-2020-tehnika/2764-razrabotka-registratora-dlya-opredeleniya-teplovyh-polej-pri-provolochno-dugovom-vyrashchivanii (дата обращения: 07.12.2020).
  6. Повышение производительности процесса электродугового выращивания на примере алюминиевого сплава al-mg-mn системы легирования / Д.В. Курушкин [и др.] // В сборнике: XII Всероссийская конференция по испытаниям и исследованиям свойств материалов "ТестМат" по тематике "Современные аспекты в области исследований структурно-фазовых превращений при создании материалов нового поколения". Материалы Всероссийской конференции. 2020. С. 85-97.
  7. Расчетное и опытное определение термических циклов в точке зоны термического влияния при наплавке валика на пластину. Карпов В.М. [и др.] // Методические указания к лабораторной работе. – СПб.: Издательство СПбГМТУ, 2014
  8. Кархин В.А. Тепловые процессы при сварке / В. А. Кархин. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2013. –646с.
  9. Рыкалин Н. Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. М.: Машгиз, 1951. 296 с.
  10. Мурзин В.В., Киав М.С., Карпов В.М. Исследование влияния режима подводной сварки на газообразование /Морские интеллектуальные технологии. 2019. № 3-2 (45). С. 111-115.

Интересная статья? Поделись ей с другими:

Внимание, откроется в новом окне. PDFПечатьE-mail