Конструирование блока индикации

Введение

 

Во второй половине ХХ в. произошел переход  от машинно-технической революции  к научно-технической, которая характеризуется  широким использованием наукоемких технологий. В начале третьего тысячелетия  сварка является одним из ведущих  технологических процессов создания материальной основы современной цивилизации.

Более половины валового национального продукта промышленно  развитых стран создается с помощью  сварки и родственных технологий. До 2/3 мирового потребления стального  проката идет на производство сварных конструкций и сооружений. Во многих случаях сварка является единственно возможным или наиболее эффективным способом создания неразъемных соединений конструкционных материалов и получения ресурсосберегающих заготовок, максимально приближенных по геометрии к оптимальной форме готовой детали или конструкции. Непрерывный рост наукоемкости сварочного производства способствует повышению качества продукции, ее эффективности и конкурентоспособности.

Сегодня сварка применяется для неразъемного соединения широчайшей гаммы металлических, неметаллических и композиционных конструкционных материалов в условиях земной атмосферы, Мирового океана и космоса. Несмотря на непрерывно увеличивающееся применение в сварных конструкциях и изделиях легких сплавов, полимерных материалов и композитов, основным конструкционным материалом остается сталь. Именно поэтому мировой рынок сварочной техники и услуг возрастает пропорционально росту мирового потребления стали. К началу ХХI в. он оценивается примерно в 40 млрд. долларов, из которых около 70 % приходится на сварочные материалы и около 30 % – на сварочное оборудование.

Сегодня сварка - широко распространенный технологический процесс, применяемый не только во многих отраслях промышленности, но и при монтаже, ремонтных работах и в быту. Для решения всевозможных технологических задач требуется профессиональное сварочное оборудование.

Одним из основных направлений развития сварочной отрасли являются - инверторные сварочные аппараты. Принцип работы в отличие от традиционных аппаратов трансформаторного типа заключается в изменении входного сигнала на противоположный. Изменение этого сигнала происходит при помощи цифрового высокопроизводительного процессора.

Такой аппарат  обладает рядом преимуществ по сравнению  с моделями традиционных источников питания, поэтому так популярен и распространен. Легкие и компактные они обеспечивают мобильность при проведении работ в труднодоступных местах и на высоте. Сварочные инверторы имеют высокий КПД. Это позволяет аппаратам данного типа быть более экономичным по затратам электроэнергии. 
Стабильность работы сохраняется даже при значительных перепадах напряжения в электросети. 
Таким образом, инвертор - сварка с учетом современных требований и тенденций развития промышленного производства, простота, гибкость и эффективность.

 

 В настоящее время, на основе инверторных преобразователей уже серийно выпускаются многофункциональные сварочные аппараты. Наибольшее распространение получили аппараты совмещающие сварку MMA + TIG + CUT   или  MIG/MAG + TIG + MMA.  Встречаются и другие комбинации. Суть дела в том, что инверторная схема позволяет, что называется "на ходу" менять тип внешних ВАХ (вольт-амперных характеристик) источника питания. Именно тип ВАХ является основным свойством источника для того или иного вида сварки. И если обычный аппарат предназначен, например, для сварки MIG/MAG, то штучным электродом он варить не будет. А инверторная схема - другое дело. Здесь и тип ВАХ и другие параметры легко перенастраиваются под требуемый, в данный момент, вид сварки.

Данный дипломный  проект, а именно блок индикации  упрощает настройку до минимума. Все  функции, режимы и настройки представленные в сварочном аппарате изменяются нажатием соответствующих кнопок или регуляторов. Пара цифровых индикаторов дают возможность контролировать установленные и реальные значения сварочного тока, что позволяет пользоваться аппаратом даже новичку сварочного дела.

 

1. Технико-экономическое  обоснование темы  проекта.

 

Блок индикации, разрабатываемый в данном дипломном проекте, служит для тонкой настройки и цифровой индикации сварочного аппарата постоянного тока ФОРСАЖ 200-ПА. Экономическая выгода – в самой сути устройства, которое позволяет упростить общение со сварочными аппаратами за счет простой и наглядной настройки, что позволяет использовать сварочные аппараты для бытовых целей обычными гражданами не имеющих особых навыков в сварочном деле, а это позволяет повысить продажу аппаратов оснащенных блоком индикации.

 Высокая надежность изделия и его долговечность, ведет к сокращению затрат на ремонт и убытков от простоев в ремонтах, одновременно растет и время полезного использования устройства, а значит, и производимый им полезный объем работы.

Блок индикации небольших размеров и эргономично встроен в специально измененный корпус сварочного аппарата для более удобного использования. Использование большого количества стандартных и унифицированных элементов  дает возможность значительно снизить затраты на изготовление оснастки для оригинальных деталей.

Элементная  база в основном собрана из сравнительно недорогих и долговечных электрорадиоэлементов, что обеспечивает снижение стоимости самого устройства, а также снижает затраты на приобретение комплекта  запасных частей и затраты, связанные с резервированием.

 

2. Краткие сведения о принципе работы устройства.

 

Устройство предназначено  для фиксации, индикации, контроля, регулирования основных параметров, функций и режимов аппарата сварочного постоянного тока ФОРСАЖ-200ПА. На лицевой панели расположены ряд кнопок и регуляторов  с помощью которых и ведется настройка работы аппарата. Принципиальная схема платы индикации данного устройства приведена в приложении 1. Работу блока индикации можно представить следующим образом.

С помощью  регулятора «U /  » и цифрового индикатора «V» возможно изменение/отображение выходного напряжения аппарата в режиме «MIG/MAG», а совмещенной с ним кнопкой осуществляется включение продува шланга подачи защитного газа перед началом работы.

Регулятор  «I /       / t» и цифровой индикатор «A» предназначены для изменения/отображения скорости подачи сварочной проволоки в режиме «MIG/MAG» и выходного сварочного тока в режиме «MMA»,  а совмещенная с ним кнопка предназначена для включения мотора-редуктора при протяжке сварочной проволоки в том же режиме, так же происходит отображение установки значений tпр, tр, tпс и L в режиме «MIG/MAG»

Кнопка «  ▲ » и индикаторы предназначены  для переключения режима работы аппарата «MIG/MAG / MMA»

Кнопка « ▲ » и  индикаторы предназначены для переключения режима управления работой аппарата с кнопки на сварочной горелке в режиме «MIG/MAG» - «2Т/4Т» - двухтактный/четырехтактный

Кнопка и индикатор  «1/L» для записи/загрузки программы №1 и изменения значения L; кнопка и индикатор «2/tпр» для  записи/загрузки программы №2 и изменения значения времени предгаза tпр; кнопка и индикатор «3/tр» для записи/загрузки программы №3 и изменения значения времени заварки кратера tр; кнопка и индикатор для «4/tпс»  записи/загрузки программы №4 и изменения значения времени постгаза  tпс; кнопка « # » для записи программы в память микроконтроллера аппарата  и включения индикации выходного напряжения и сварочного тока, измеренных  за 2 с, не более, до окончания сварки.

 

3. Расчет конструкции.

3.1. Обоснование конструктивного решения.

 

В настоящее время  возрастает сложность РЭА, перед конструкторами встают новые задачи. Именно от конструкции РЭА в значительной степени зависит качество и эффективность использования аппаратуры, ее надежность и функциональные возможности, стоимость производства и эксплуатации.

Конструирование – это процесс выбора и отражения в технических документах структуры, размеров и формы, материалов и внутренних связей проектируемого устройства.

При конструировании  изделий РЭА кроме пространственных и механических взаимосвязей, необходимо учитывать сложные электрические связи, ограничивать электромагнитные и тепловые поля, учитывать возможность искажения полезных сигналов, появления помех.

Конструирование РЭА  зависит от большого количества факторов, основными из которых являются: функциональное назначение аппаратуры, объект установки, условия эксплуатации, эксплуатационные требования, производственно-технологические требования, экономические показатели. При разработке конструкции, полностью удовлетворяющей заранее поставленным требованиям и в процессе конструирования необходимо учитывать эти и еще ряд факторов.

При проектировании каждого  РЭА, которым будет управлять  оператор, необходимо учитывать комплекс требований, отображающих особенности  человека-оператора. Этот комплекс включает в себя:

• антропометрические показатели (определяют соответствие изделия форме и размерам тела человека);
• физиологические показатели (определяют соответствие изделия основным силовым, скоростным, зрительным и другим возможностям человека);
• психологические показатели (определяют возможности человека по восприятию и переработке информации);

• гигиенические показатели (определяют внешние условия, в которых работает оператор – освещенность рабочего места, температура, шумы, вибрация и другие).

Блок индикации разработан в соответствии с ТЗ, с обеспечением заданных габаритно-присоединительных размеров. Конструктивно корпус устройства состоит из кронштейна к которому крепится винтами передняя панель (лицевая), сзади устанавливается защитный экран. Внутри конструкции с помощью винтов к кронштейну крепится печатная плата, на которой смонтированы элементы схемы.

Контакты печатной платы подключаются к соответствующим гнездам и разъемам, расположенным на боковых панелях корпуса, проводами и жгутами. Органы управления (два регулятора, семь кнопок), индикации (два цифровых индикатора, восемь светодиодов) расположены на лицевой панели устройства.

При разработке устройства учтены требования по обеспечению безопасности труда  при изготовлении и эксплуатации блока в соответствии с ГОСТ РВ 20.39.309-98. В конструкции устройства отсутствуют элементы, изготовленные из легковоспламеняющихся и токсичных материалов.

 

3.2 Выбор материалов конструкции блока и покрытий.

 

Для любого изделия выбор  материалов для изготовления деталей  является важной задачей, так как материал определяет многие параметры получаемых деталей и узлов.

Основными материалами  для создания конструкции РЭА  в условиях мелкосерийного и единичного производства являются стали и алюминиевые  сплавы. Применение пластмасс в мелкосерийном  производстве экономически не оправдано из-за сложности и высокой стоимости изготовления пресс-форм, а так же из-за необходимости заземления корпуса устройства - это одно из обязательных требований к бортовой и космической РЭА.

Правильный выбор материала  может быть сделан на основании анализа функционального назначения детали, условий ее эксплуатации и технологических показателей с учетом следующих факторов:

1. Материал является основой конструкции, то есть определяет способность детали выполнять рабочие функции в изделии и противостоять действию климатических и механических факторов.
2. Материал определяет технологические характеристики детали, так как обрабатывается определенными технологическими методами.
3. От свойств материалов зависит точность изготовления детали. Точность штампованных гнутых изделий зависит от упругих свойств материала. От точности изделия зависит точность узла или прибора, куда оно входит.
4. Материал оказывает влияние на эксплуатационные характеристики детали, на ее надежность и долговечность. Детали, выполненные из стойких к окислению материалов, в определенных условиях могут эксплуатироваться годами.

   На основе вышеприведенных факторов для корпуса устройства  была выбрана сталь 20пс в силу её низкой стоимости, хорошей обрабатываемости и надежности.

 

3.2.1 Характеристики материала сталь 20пс.

 

Классификация: Сталь конструкционная углеродистая качественная

Механические свойства при Т=20 °С указаны в таблице 3.1.

 

       Таблица 3.1                                                      Механические свойства 20пс.

Сортамент	σВ, МПа	σT, МПа	δ, %	HB∙10-1, МПа
Прокат горячекатаный,  до 20 мм	370-480	245	26	163

Здесь  σ_В –  предел кратковременной прочности, [МПа],

  σ_T– предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), [МПа],

  δ –  относительное удлинение при разрыве, [ % ],

 HB – твердость материала по Бринеллю, [МПа].

3.2.2. Характеристики материал-заменителя: ФС-2-35-2,0; ФС-2-50-2,0 . (стеклотекстолита).

Предельно-допустимая рабочая температура: от -60° до +105 °С.

Прочность на отслаивание фольги, Н (на ширину 3 мм) указана в таблице 3.2.