/
Author: Гладков Э.А. Бродягин В.Н. Перковский Р.А.
Tags: общее машиностроение технология машиностроения общая технология основы промышленного производства сварка учебник автоматизация сварочное производство электронное машиностроение
ISBN: 978-5-7038-3861-7
Year: 2014
Text
Э. А. Гладков, В. Н. Бродягин, Р. А. Перковский
АВТОМАТИЗАЦИЯ
СВАРОЧНЫХ
ПРОЦЕССОВ
УДК 621(075.8)
ББК 30.61
Г52
Рецензенты:
зав. кафедрой «Электронное машиностроение и сварка» СГТУ
имени Ю.А. Гагарина, д-р техн. наук, профессор, Г. В. Конюшков;
зав. кафедрой «Электронное машиностроение и сварка»
Московского государственного университета
приборостроения и информатики,
д-р техн. наук, профессор В. М. Ямпольский
Гладков, Э. А.
Г52 Автоматизация сварочных процессов : учебник / Э. А. Глад¬
ков, В. Н. Бродягин, Р. А. Перковский. - Москва : Издательство
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014.-421, [3] с. : ил.
ISBN 978-5-7038-3861-7
Приведено описание основных элементов автоматики сварочных
установок. Даны принципы построения и примеры реализации со¬
временных систем управления оборудованием и процессами дуго¬
вой, контактной и электронно-лучевой сварки. Рассмотрены системы
управления пространственным положением источника нагрева отно¬
сительно линии стыка, автоматизированные комплексы с микроконт¬
роллерами и ЭВМ для управления качеством сварного соединения,
а также проблемы роботизации дуговой и контактной сварки.
Для студентов высших учебных заведений. Учебник может быть
полезен аспирантам и специалистам в области сварочного производ¬
ства при выборе средств автоматизации.
УДК 621(075.8)
ББК 30.61
© Гладков Э. А., Бродягин В.Н.,
Перковский Р. А., 2014
© Оформление. Издательство МГТУ
ISBN 978-5-7038-3861-7 им. Н.Э. Баумана, 2014
Предисловие
Вопросам автоматизации сварочных процессов уделялось и уде¬
ляется в настоящее время значительное внимание. Эти вопросы от¬
ражены в содержании ряда научно-технических программ страны
на текущий период. Они рассматривались в качестве основных за¬
дач по ускорению научно-технического прогресса и развитию науки
и связывались в первую очередь с широким внедрением автоматизи¬
рованных систем управления в различных областях хозяйственной
деятельности. Успешное решение указанных задач имеет важное зна¬
чение и для дальнейшего развития всего сварочного производства.
Современные достижения в области микроэлектроники и вы¬
числительной техники существенно продвинули технологические
возможности разрабатываемого на их базе сварочного оборудования
нового поколения.
К сожалению, вопросы автоматизации сварки в последние годы
не нашли должного отражения в образовательных программах для ди¬
пломированных специалистов направления подготовки «Машиностро¬
ительные технологии и оборудование». Изданные учебные пособия
по вопросам автоматизации сварочных процессов (Львов И. С., Глад¬
ков Э.А. Автоматика и автоматизация сварочных процессов. М.: Ма¬
шиностроение, 1982; Автоматизация сварочных процессов / под ред.
В.А. Лебедева, И.П. Черныша. Киев: Вища шк., 1986; Гладков Э.А.
Управление процессами и оборудованием при сварке. М.: Изд. центр
«Академия», 2006) позволили существенно улучшить подготовку вы¬
пускников вузов по специальности «Проектирование технологических
машин и комплексов». Однако эти учебные пособия как по содержанию,
так и по структуре не в полной мере соответствуют требованиям меж¬
вузовской программы курса «Автоматизация сварочных процессов».
Предлагаемое издание в достаточной степени отражает содер¬
жание указанной программы и допущено УМО вузов по универси¬
тетскому политехническому образованию в качестве учебника для
студентов высших учебных заведений.
В учебнике обобщен и систематизирован опыт создания систем
автоматизированного сварочного оборудования и систем управления,
разработанных рядом ведущих организаций РФ и Украины, учтены до¬
стижения крупных зарубежных фирм по разработке современного сва¬
рочного оборудования, источников питания для сварки.
4
Предисловие
Содержательная часть материала построена на основе классифи¬
кации объектов и систем управления сварочными процессами (при¬
ведена во Введении).
Учебник предназначен для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по специальности «Оборудование и технология свароч¬
ного производства» направления подготовки «Машиностроение».
Книга может быть полезна студентам и преподавателям сва¬
рочных специальностей при подготовке лекционного материала
по курсам «Автоматизация сварочных процессов», «Управление
в технических системах», «Источники питания для сварки», при вы¬
полнении курсовых и дипломных проектов, проведении научно-ис¬
следовательских работ, а также инженерно-техническим работ¬
никам и аспирантам, специализирующимся в области сварочного
производства.
Введение
Сварка - прогрессивный метод создания неразъемных соедине¬
ний металлов, сплавов и различных материалов.
Большие перспективы в развитии сварочного производства откры¬
вают механизация и автоматизация процесса сварки. Прогресс произ¬
водства от внедрения этого направления возможен при комплексном
подходе к решению задачи, затрагивающем все этапы сварочного про¬
изводства - заготовительные, транспортные, загрузочные, сварочные,
сборочные и отделочные операции. При механизации и автоматиза¬
ции сварочного производства появляется возможность повышения
производительности труда и качества продукции, сокращения чис¬
ленности обслуживающего персонала. Труд рабочего в этих условиях
становится более содержательным и творческим, исключается «субъ¬
ективный фактор» оператора.
При механизированном процессе независимо от степени ме¬
ханизации рабочий частично или полностью освобождается лишь
от мускульных усилий, но полностью сохраняется его участие в про¬
цессе в связи с необходимостью выполнения функций контроля
и управления.
Автоматизация сварки означает перевод сварочного оборудова¬
ния на автоматический режим работы, внедрение в производство ря¬
да устройств, действующих без участия человека.
Примером частичной механизации и автоматизации в сварке
служит процесс дуговой сварки, в котором используются свароч¬
ные аппараты с постоянной и управляемой (принудительно) скоро¬
стью подачи электродной проволоки. В нем механизированы подача
электродной проволоки, перемещение электрода вдоль линии сва¬
риваемого стыка, подача флюса (защитного газа); автоматизирован
процесс регулирования напряжения дуги изменением по заданному
закону скорости подачи электродной проволоки при отклонении на¬
пряжения дуги от номинального значения.
Доукомплектация сварочного аппарата системой слежения за лини¬
ей стыка, средствами регистрации и контроля параметров режима по¬
зволяет перейти к стадии более полной автоматизации производствен¬
ного процесса, когда сварка может выполняться без участия человека:
за ним остаются лишь функции предварительной настройки процесса,
включения оборудования и наблюдения за ходом процесса сварки.
6
Введение
Все устройства, действующие без непосредственного участия
человека, можно подразделить на два класса: сварочные автоматы
(или полуавтоматы) и автоматические системы (регуляторы). При ис¬
пользовании автоматов периодическая загрузка изделия, замена ин¬
струмента, контроль и подналадка выполняются по ходу работы или
автоматически; останов требуется только для наладки. В случае приме¬
нения полуавтоматов для повторения процесса, установки заготовки,
снятия готового изделия и пуска необходимо вмешательство человека.
Автоматические системы (регуляторы) поддерживают неизмен¬
ными или изменяют по заданному закону физические величины
в технических устройствах или технологическом процессе без уча¬
стия оператора-сварщика.
В последние годы применяют робототехнические комплексы -
автоматы, характеризующиеся разнообразием выполняемых опера¬
ций и значительной мобильностью.
Роботы - это универсальные автоматические манипуляторы
с программным управлением, предназначенные для воспроизведе¬
ния управляющих и двигательных функций человека, обладающие
способностью к адаптации.
Автоматизированное и механизированное оборудование объеди¬
няют в группы. Одну из них представляет автоматическая линия -
производственный участок, специализирующийся на выполнении
одной или нескольких однотипных операций технологического про¬
цесса. Автоматическая линия состоит из группы станков-автоматов,
объединенных общей системой управления и общими транспортны¬
ми устройствами с единым темпом работы.
На заводах по производству автомобилей, тракторов, сельско¬
хозяйственных машин, вагонов, локомотивов, самолетов, товаров
народного потребления в автоматических линиях в качестве стан¬
ков-автоматов применяют автоматизированные машины для кон¬
тактной сварки. Автоматизированные дуговые сварочные установки
используют в поточно-механизированных и автоматических линиях
по производству труб и изделий тяжелого машиностроения.
Известно несколько десятков способов сварки и их разновидно¬
стей. Даже неполное их перечисление убедительно показывает широ¬
кие технологические возможности этого процесса в разных отраслях
машиностроения. Высокое качество работы сварочного оборудова¬
ния напрямую связано с последними достижениями в области радио¬
электроники, электротехники, оптики, автоматики, микропроцессор¬
ной и вычислительной техники.
Введение
7
Способы сварки различаются по степени автоматизации: в од¬
них случаях применены самоприспосабливающиеся системы (на¬
пример, в дуговой и контактной сварке), в других - использована
только механизация процесса, в третьих - сварка осуществляется
полностью вручную.
Открытие В. И. Дятловым в 1942 г. явления саморегулирования
дуги позволило создать и широко использовать простые и надежные
сварочные установки с постоянной скоростью подачи электрода.
Дальнейшей разработкой этого оборудования занимались Б. Е. Па-
тон, В. К. Лебедев, Г. М. Каспржак, И. Я. Рабинович.
С 1950-х годов создатели сварочного оборудования стали широ¬
ко применять методы теории автоматического управления и вычис¬
лительную технику. Начался период более полной автоматизации
сварочных процессов, а затем и сборочно-сварочного производства.
Учеными Б. Е. Патоном, К. К. Хреновым и другими исследователями
начаты работы по изучению свойств различных систем автоматиче¬
ского регулирования дуговой сварки и сварки под флюсом.
В 1970-1080-е годы на дальнейшее развитие и широкое приме¬
нение методов теории автоматического регулирования при проекти¬
ровании автоматического сварочного оборудования оказали влияние
работы Б.Е. Патона, Ф. А. Аксельрода, Б.Д. Орлова, А. С. Гельмана,
В. К. Лебедева, П.Л. Чулошникова, Н.В. Подолы, Ю.А. Паченцева,
Д. С. Балковца - в области контактной сварки; Б. Е. Патона, В. К. Ле¬
бедева, А. И. Чвертко, Н.С. Львова, Э.А. Гладкова, Э. М. Эсибяна,
В. В. Смирнова и других - в области электродуговой, шлаковой
сварки и наплавки; Ю. Н. Ланкина, В.М. Язовских, В. Я. Беленько¬
го, В. В. Башенко, В.Н. Ластовиря, О. К. Назаренко, В. А. Виногра¬
дова, В. А. Казакова, В. А. Лаптенка - в области электронно-лучевой
сварки; Б.Е. Патона, Г. А. Спыну, В. А. Тимченко, Ф. А. Киселевско¬
го - в области роботизации дуговой и контактной сварки; Н. Н. Ры-
калина, А.А. Углова, Н.В. Зуева, Р.Р. Абильситова, В.С. Голубева,
А. Г. Григорьянца, Э. А. Гладкова, И. Н. Шиганова - в области лазер¬
ной сварки.
С 1980-х годов продолжены работы по оснащению сварочного
оборудования следящими системами с электромагнитными и оп¬
тическими датчиками для автоматической ориентации электрода
по линии стыка. Вклад во внедрение этого оборудования внесли ра¬
боты Ю. А. Паченцева, Н. С. Львова, Э. А. Гладкова, Р. М. Широковс-
кого, Ш.А. Вайнера, Ф.А. Киселевского, В. В. Смирнова и других
ученых.
8
Введение
Телевизионные системы для автоматической коррекции по¬
ложения сварочной ванны относительно свариваемого стыка при
электронно-лучевой сварке были разработаны М.Л. Лифшицем,
Д. Д. Никифоровым и другими в середине 1980-х годов.
Новый методологический подход к анализу процессов в свароч¬
ном контуре как единой электрогидродинамической системе ис¬
точник - дуга - сварочная ванна, в которой ванна рассматривается
в качестве непосредственного объекта регулирования, предложен
в 1977 г. Э. А. Гладковым. Он позволил в дальнейшем заложить ос¬
новы проектирования автоматизированных систем управления сва¬
рочными процессами с применением ЭВМ.
Значительный вклад в разработку и внедрение автоматизирован¬
ного сварочного оборудования в 1980-1990-е и последующие годы
внесли Всесоюзный научно-исследовательский институт электро¬
сварочного оборудования (ВНИИЭСО) в г. Санкт-Петербурге (ныне
Институт сварки России), Институт электросварки им. Е.О. Патона
(ИЭС) в г. Киеве, ЦНИИТМАШ в г. Москве, Ржевское научно-про¬
изводственное объединение «Электромеханика», Научно-иссле¬
довательский и конструкторский институт монтажной технологии
(НИКИМТ) в г. Москве, МГТУ им. Н. Э. Баумана, НПО «Технотрон»
в г. Чебоксарах, Псковский завод тяжелого электросварочного обо¬
рудования (ОАО «ПЗ ТЭСО»), Симферопольский электромашино¬
строительный завод (ПАО «СЭЛМА»).
В настоящее время серийный выпуск автоматизированного сва¬
рочного оборудования, инверторных источников питания с мик¬
ропроцессорами в схеме управления налажен рядом зарубежных
фирм: Lincoln Electrik, Miller (США), Cloos, EWM (Германия),
ESAB (Швеция), Kemppi (Финляндия), Fronius (Австрия) и многи¬
ми другими.
Эти разработки можно отнести к сварочному оборудованию
нового поколения, характеризующемуся быстродействием, много¬
функциональностью в решении технологических задач, гибкостью
перестройки и выбором рабочих программ, удобством регулирова¬
ния и визуализацией параметров режима сварки, малыми габарита¬
ми и высокой надежностью в работе.
Далее приведена классификация объектов и систем управле¬
ния сварочными процессами (обозначения способов сварки и обо¬
рудования, указанные в скобках, соответствуют РД 03-614-03 - до¬
кумента Национального аттестационного комитета по сварочному
производству):
Введение
9
1. По геометрическим характеристикам изделия:
1.1. Тонкостенные (0...5 мм).
1.2. Толстостенные (более 5 мм).
1.3. Плоскостные (прямолинейные, криволинейные, короткие, протяженные).
1.4. Пространственные (поворотные, неповоротные).
2. По степени автоматизации:
2.1. Ручная (РД, РАД и др.).
2.2. Механизированная (МП, МАДП и др.).
2.3. Автоматизированная и автоматическая (АФ, ААДП, А АД и др.).
3. По типу технологии:
3.1. Сварка плавлением:
3.1.1. Дуговая:
3.1.1.1. Неплавящимся электродом (РАД, А АД и др.).
3.1.1.2. Плавящимся электродом (РД, МП, МАДП, АФ и др.).
3.1.1.3. Плазменная (П).
3.1.2. Лучевая:
3.1.2.1. Электронно-лучевая (ЭЛ).
3.1.2.2. Лазерная (Л).
3.1.3. Гибридная (Л + ААДП).
3.2. Контактная:
3.2.1. Сопротивлением (КСС, КТС и др.).
3.2.2. Оплавлением (КСО).
4. По режимам сварки:
4.1. Непрерывная.
4.2. Импульсная.
5. По уровню управления процессом:
5.1. Разомкнутые системы.
5.2. Замкнутые на объект системы.
6. По принципу построения систем регулирования и управления:
6.1. Системы стабилизации.
6.2. Следящие системы.
6.3. Программные системы.
6.4. Адаптивные автоматизированные и роботизированные комплексы.
Глава 1
Элементы автоматики сварочных установок
1.1. Классификация элементов автоматики
Автоматика - отрасль науки и техники, охватывающая теорию
и принципы построения систем управления, действующих без непо¬
средственного участия человека; в узком смысле - это совокупность
методов и технических средств, исключающих участие человека
в выполнении операций конкретного процесса.
Системы автоматики предназначены для получения информа¬
ции о ходе управляемого процесса, ее обработки и использования
при формировании управляющих воздействий на процесс. В зави¬
симости от назначения различают:
• системы автоматической сигнализации, которые предназначе¬
ны для извещения обслуживающего персонала о состоянии той или
иной технической установки, о протекании того или иного процесса;
• системы автоматического контроля, которые без участия чело¬
века осуществляют контроль различных параметров, характеризу¬
ющих работу какого-либо технического устройства или протекание
какого-либо процесса;
• системы автоматического блокирования и защиты, которые
служат для предотвращения возникновения аварийных ситуаций
в технических агрегатах и установках;
• системы автоматического пуска и останова, которые обеспе¬
чивают включение, останов (а иногда и реверс) двигателей и при¬
водов по заранее заданной программе;
• системы автоматического управления, которые предназначе¬
ны для управления либо работой тех или иных технических систем,
либо теми или иными процессами.
К важнейшим и наиболее сложным относят системы автоматиче¬
ского управления (САУ); все остальные перечисленные выше системы
являются частными, как правило, более простыми вариантами САУ.
В современные САУ сварочным оборудованием входят следую¬
щие элементы автоматики (рис. 1.1):
1) датчики;
2) устройства передачи сигналов;
1.2. Датчики
11
Рис. 1.1. Элементы автоматики
3) аналоговые или цифровые устройства управления;
4) устройства выработки управляющих воздействий;
5) усилители;
6) исполнительные устройства и механизмы.
Эти устройства группируют по функциональному, информаци¬
онному и конструктивно-технологическому признакам, создавая
на унифицированной элементной базе блочные наборы, из которых
составляют необходимые агрегатные комплексы средств автомати¬
зации сварочных процессов.
1.2. Датчики
1.2.1. Основные характеристики датчиков
Датчики - это устройства для преобразования различных фи¬
зических величин, соответствующих параметрам технологическо¬
го процесса сварки, в унифицированный электрический сигнал или
цифровой код. Основной характеристикой датчика является закон из¬
менения выходной величины в зависимости от входного воздействия,
который описывается статическими и динамическими параметрами.
Эксплуатационные характеристики определяют условия эксплуата¬
ции и параметры надежности.
Статические характеристики. Статические характеристики
определяют реакцию датчика на неизменный входной сигнал.
12
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок
Чувствительность датчика (коэффициент преобразования) -
отношение изменения выходного сигнала к изменению входного
в установившемся (статическом) режиме. Если входной и выходной
сигналы - различные физические параметры, то чувствительность
имеет размерность отношения выходной величины ко входной.
Порог чувствительности - минимальное входное воздействие,
на которое реагирует датчик.
Разрешающая способность - наименьшее изменение входного
сигнала, которое может быть измерено датчиком.
Пределы измерения - минимальное и максимальное значения
входного сигнала, который может быть измерен датчиком.
Абсолютная погрешность - разность между реальным и изме¬
ренным значениями измеряемой величины. Абсолютная погреш¬
ность имеет размерность входной величины.
Относительная погрешность - отношение абсолютной погреш¬
ности к действительному значению измеряемой величины, опреде¬
ляемое в относительных единицах или в процентах.
Приведенная погрешность - отношение абсолютной погрешно¬
сти к диапазону возможных значений входного сигнала, вычисляе¬
мое в относительных единицах или в процентах. О точности датчика
обычно судят по значению приведенной погрешности.
Статическая характеристика преобразования - зависимость
выходного сигнала от входного во всем диапазоне преобразования.
Вид наиболее распространенных статических характеристик пока¬
зан на рис. 1.2. Для датчиков наиболее предпочтительной является
линейная статическая характеристика; это требуется для точной ра¬
боты систем регулирования.
Динамические характеристики. Под динамической характе¬
ристикой датчика понимают поведение выходного сигнала во время
Рис. 1.2. Виды статических характеристик датчиков:
а - линейная; б - нелинейная с насыщением; в - релейная; г - с зоной нечувстви¬
тельности; т - входной сигнал; у - выходной сигнал
1.2. Датчики
13
Рис. 1.3. Динамические характеристики датчиков
при апериодическом характере переходного процесса
переходного процесса в ответ на мгновенное (ступенчатое) измене¬
ние входного сигнала. Динамические свойства датчика характери¬
зуются целым рядом параметров, которые производители довольно
редко приводят в техническом описании. Динамические характе¬
ристики датчика можно экспериментально получить как реакцию
на скачок измеряемого входного сигнала.
В зависимости от вида переходного процесса выделяют два наи¬
более характерных случая:
1) апериодический характер переходного процесса, когда выход¬
ной сигнал постепенно приближается к новому установившемуся
значению^ = кх0 со скоростью, пропорциональной в каждый момент
времени разности между у0 и текущим значением выходного сигна¬
ла (рис. 1.3). Инерционность переходного процесса характеризуется
значением постоянной времени т, выражаемой в секундах. На гра¬
фике, показанном на рис. 1.3, величину т можно определить, проведя
касательную к кривой y{t) при / = 0 и продолжив ее до пересечения
с горизонтальной линией у0 = kxQ. За время, равное т, выходной сиг¬
нал достигает примерно 0,63 своего нового установившегося значе¬
ния. Уравнение переходной характеристики имеет следующий вид:
у = у0( \-ет).
Обычно на практике считают, что за время t = (З...5)т выход¬
ной сигнал достигает нового установившегося значения у0. В реаль¬
ных устройствах за это время выходной сигнал достигает значений
(0,95...0,9%0;
2) колебательный характер переходного процесса, когда выход¬
ной сигнал постепенно приближается к новому установившемуся
значению, совершая в течение переходного процесса затухающие
колебания в окрестности установившегося значения (рис. 1.4).
14
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок
Рис. 1.4. Динамические
характеристики датчи¬
ков при колебательном
переходном процессе
Основные динамические характеристики:
Т0 - время прохождения зоны нечувствительности (момент на¬
чала изменения выходного сигнала);
Т{ - запаздывание (время первого достижения выходным сигна¬
лом уровня 0,5 установившегося значения);
Г - время нарастания (время, за которое выходной сигнал увели¬
чивается от 0,1 до 0,9 установившегося значения);
Т - время достижения первого максимума;
М=ум/у0 - относительное перерегулирование;
Г - время переходного процесса, или время установления (время,
начиная с которого отклонение выходного сигнала датчика от уста¬
новившегося значения становится меньше заданного).
Эксплуатационные характеристики. К эксплуатационным ха¬
рактеристикам датчиков относят:
• рабочий температурный диапазон;
• допустимую температуру хранения;
• допустимую влажность окружающей среды;
• допустимое давление окружающей среды;
• диапазон изменения напряжения питания;
• наработку на отказ;
• срок службы;
• гарантийный срок.
1.2.2. Датчики линейного перемещения
Датчики линейного перемещения применяют для измерения
как собственно перемещения, так и деформации первичных преоб¬
разователей различных физических величин (например, мембраны
при измерении давления). По характеру выходного сигнала датчики
1.2. Датчики
15
перемещения подразделяют на релейные и измерительные. Релей¬
ные датчики (концевые выключатели) выдают дискретный сигнал
при достижении определенного положения измерительным орга¬
ном, а выходной сигнал измерительных датчиков пропорционален
перемещению.
Релейные датчики линейного перемещения. Самыми распро¬
страненными релейными датчиками перемещения являются э л е к -
троконтактные датчики. В них перемещение передается
электрическим контактам, которые и являются выходными клемма¬
ми датчика. Устройство датчиков схематично показано на рис. 1.5.
Преимущества электроконтактных датчиков заключаются в просто¬
те и низкой себестоимости конструкции, удобстве регулирования,
высокой точности, возможности работы в цепях постоянного и пе¬
ременного токов. К недостаткам относят сложность обеспечения
высокой надежности ввиду вероятности искрения и окисления кон¬
тактов, возможность ложных срабатываний при вибрации и ударной
нагрузке, низкий ресурс вследствие наличия подвижных элементов.
Абсолютная погрешность срабатывания электроконтактных датчи¬
ков может составлять 0,1.. .5 мм.
В последнее время появилось большое число бесконтактных
релейных датчиков перемещения. Их преимуществом является от¬
сутствие необходимости физического контакта с объектом, что по¬
зволяет повысить точность измерений и исключить влияние датчика
на объект, а отсутствие подвижных элементов делает практически
неограниченным ресурс таких датчиков. Наибольшее распростра¬
нение получили индуктивные и оптические датчики.
5
I
6
5
1 2 3
■ГЧ.
1
3
а
б
в
Рис. 1.5. Электроконтактные релейные датчики перемещения:
а - замыкающий; б - размыкающий; в - переключающий
16
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок
Металл
Ф.
С"
С"
Пороговая
схема
—о
Выход
Рис. 1.6. Индук¬
тивный пороговый
датчик перемеще¬
ния
Индуктивные датчики (рис. 1.6) реагируют на при¬
ближение к металлической поверхности. В этом случае при некото¬
ром расстоянии х до поверхности магнитный поток Ф оказывается
замкнутым и измерительная пороговая схема соединяет выходные
контакты. Преимущества этих датчиков - долговечность и высокая
надежность срабатывания. Недостатками являются невозможность
работы с неметаллическими поверхностями и вероятность ложно¬
го срабатывания при налипании металлической пыли на датчик или
при наличии сильных магнитных полей, например от сварочных ка¬
белей или осциллятора. Абсолютная погрешность срабатывания ин¬
дуктивных датчиков может составлять от 1 до 20 мм.
Оптические датчики (рис. 1.7) состоят из источника све¬
та /, чаще всего светодиода, фотоприемника 4, двух объективов 2
и пороговой схемы. Датчик выдает сигнал при пересечении световых
лучей непрозрачным объектом 3. Преимущества таких датчиков за¬
ключается в возможности работы с любыми непрозрачными объекта¬
ми, быстродействии и высокой точности срабатывания. К недостаткам
следует отнести невозможность работы при прямом попадании света
от сварочной дуги на фотоприемник и необходимость периодической
Рис. 1.7. Оптический пороговый датчик перемещения
1.2. Датчики
17
очистки объективов от пыли. Абсолютная погрешность срабатыва¬
ния оптических датчиков может составлять 0,01... 10 мм.
Измерительные датчики линейного перемещения. Потен¬
циометрические датчики предназначены для преобра¬
зования механического перемещения в электрический сигнал. Ос¬
новной частью датчика является реостат, сопротивление которого
изменяется при перемещении движка, механически связанного
с каким-либо устройством, перемещение х которого необходимо
измерить и передать в виде электрического сигнала (рис. 1.8). На¬
пряжение питания подается через неподвижные выводы. Выходное
напряжение снимается с одного из неподвижных выводов и с под¬
вижного контакта, жестко связанного с движком. Такая схема вклю¬
чения называется потенциометрической, или схемой делителя на¬
пряжения. Выходное напряжение пропорционально перемещению*
движка реостата:
U =U х/1.
вых вх
Для питания датчика может быть использовано напряжение по¬
стоянного или переменного тока. В зависимости от закона изменения
сопротивления различают линейные и функциональные потенцио¬
метрические датчики, у которых зависимость выходного напряже¬
ния от перемещения может иметь заданную, отличную от линейной
зависимость. Резистор, по которому скользит подвижный контакт,
может быть изготовлен из проволоки или нанесен в виде резистив¬
ного слоя на изолирующие покрытие.
Наличие скользящего контакта снижает надежность потен¬
циометрического датчика и является его основным недостатком.
При работе резистивный слой стирается, что приводит к изменению
характеристики, «искрению» или к отказу. Однако современные тех¬
нологии гарантируют до 108 рабочих ходов, что наряду с возможно¬
стью работы датчика на переменном и постоянном токе, постоян¬
ной готовностью к работе и низкой чувствительностью к помехам
Рис. 1.8. Потенциометрический датчик перемещения
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок
позволяют широко применять их в сварочном оборудовании. Диапа¬
зон измерения потенциометрических датчиков - 10... 1 000 мм, раз¬
решающая способность - от 0,1 до 1 % диапазона измерения.
Индуктивные датчики предназначены для преобразо¬
вания перемещения в электрический сигнал за счет изменения пара¬
метров электромагнитной цепи. Эти изменения могут заключаться
в увеличении или уменьшении магнитного сопротивления датчика
при перемещении сердечника (рис. 1.9). В результате таких пере¬
мещений изменяется индуктивность обмотки Z,, которую измеряют
с помощью электронной схемы. Индуктивные датчики прямого из¬
мерения (рис. 1.9, а) имеют нелинейную выходную характеристи¬
ку и высокую погрешность измерений, но позволяют измерять рас¬
стояние непосредственно до изделия. Дифференциальные датчики
(рис. 1.9, б) требуют механической связи объекта измерений с под¬
вижным сердечником, но обладают значительной зоной линейно¬
сти; они нашли широкое применение при измерениях с высокой
точностью. Преимущества индуктивных датчиков: простота и низ¬
кая себестоимость конструкции, механическая прочность, высокая
Рис. 1.9. Индуктивные датчики перемещения:
а - прямого измерения; б - дифференциальный
1.2. Датчики
19
надежность за счет возможности съема выходного сигнала без
скользящих контактов. К недостаткам этих датчиков следует отне¬
сти влияние на выходной сигнал внешних электромагнитных полей.
Диапазон измерения индуктивных датчиков - 1.. .50 мм, разрешаю¬
щая способность - 0,01... 1 мм.
Принцип работы тросовых датчиков заключается в из¬
мерении угла поворота легкого барабана, на который в один слой на¬
матывается тонкий тросик, одним концом закрепленный на объекте
измерений (рис. 1.10). Перемещение объекта
, Фd_
2 ’
где ф - угол поворота барабана, рад; d - диаметр барабана.
Барабан постоянно подпружинен для создания натяжения тро¬
сика. Эти датчики широко применяют для измерения перемещения
различных механизмов, если другие датчики трудно или невозможно
установить. Диапазон измерения тросовых датчиков - 50.. .5 000 мм,
погрешность измерения - 0,02... 1 %.
Рис. 1.10. Тросовый датчик перемещения
Действие ёмкостных датчиков основано на зависимо¬
сти емкости конденсатора от расстояния между его обкладками. Как
правило, абсолютное значение измеряемой емкости не превышает
нескольких десятков пикофарад, что обусловливает повышенные
требования к соединительным проводам и взаимному расположе¬
нию различных металлических деталей конструкции. Чаще всего
ёмкостные датчики используют как датчики высоты установки объ¬
ектива при лазерной сварке или плазменной резке. В этом случае
одной из обкладок конденсатора служит само изделие, а вторая об¬
кладка представляет собой кольцо, укрепленное на измеряемом объ¬
еме. Диапазон измерения ёмкостных датчиков - 1.. .20 мм, разреша¬
ющая способность - 1...5 мм.
В основу работы оптических датчиков положен прин¬
цип оптической триангуляции - определения сторон треугольника
20
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок
Рис. 1.11. Оптический датчик перемещения
по двум углам и одной стороне (рис. 1.11). Излучение полупрово¬
дникового лазера I фокусируется на объекте 5. Рассеянное на объ¬
екте излучение собирается объективом 2 на светочувствительной
линейке 3. Перемещение объекта 5 - 5' из точки В в точку D вызы¬
вает перемещение изображения лазерной отметки на приемнике из¬
лучения из точки b в точку d. Процессор 4 рассчитывает расстояние
до объекта L по положению изображения светового пятна на свето¬
чувствительной линейке 3:
где А - расстояние от оси лазерного луча до объектива; / - расстояние
от объектива до светочувствительной линейки; а - положение пятна
на линейке. Таким образом, в треугольнике ОСВ известны сторона ОС,
прямой угол ОСВ и угол СОВ, а необходимо вычислить сторону СВ.
Преимуществами оптического датчика являются высокая точ¬
ность и возможность измерения без непосредственного контакта
с объектом. К недостаткам следует отнести невозможность опреде¬
ления расстояния до зеркальных поверхностей и возможное запыле-
ние оптических деталей при сварке. Диапазон измерения оптических
датчиков - 10...200 мм, разрешающая способность - 0,1... 1 мм.
Лазерный дальномер - это прибор, который позволяет
измерить расстояние до отражающего предмета с использованием
1.2. Датчики
21
луча лазера. Различают два метода измерения дальности в зависи¬
мости от того, какой характер модуляции лазерного излучения ис¬
пользуется в дальномере: импульсный или фазовый.
Сущность импульсного метода состоит в том, что к объекту по¬
сылается короткий мощный зондирующий импульс лазерного излу¬
чения и измеряется время задержки прихода отраженного сигнала.
При скорости света с расстояние до объекта
где t - время прохождения импульса до цели и обратно.
Импульсные лазерные дальномеры позволяют измерять расстоя¬
ния от 0,5 м до нескольких сотен метров с погрешностью до ±10 мм.
При фазовом методе измерения расстояния лазерное излучение
модулируется по синусоидальному закону. Отраженное излучение по¬
падает через приемную оптическую систему на фотоприемник, где вы¬
деляется модулирующий сигнал. В зависимости от дальности объекта
изменяется фаза отраженного сигнала относительно фазы излучаемо¬
го сигнала. Измеряя разность фаз, определяют расстояние до объекта:
4лF
где ср - разность фаз между зондирующий и отраженным излучени¬
ем; F- частота модуляции лазера.
Фазовые лазерные дальномеры позволяют измерять расстояния
от 50 мм до 50 м с погрешностью до ±1 мм.
Преимущество лазерных дальномеров заключается в возможно¬
сти бесконтактного измерения расстояния в широких пределах. Од¬
нако для повышения стабильности измерений может потребоваться
установка специального отражателя на объект. При использовании
в сварочном оборудовании необходимо обеспечить дополнительную
защиту оптики от запыления и попадания света от дуги.
Принцип работы инкрементальных датчиков осно¬
ван на подсчете числа импульсов, возникающих при перемещении
измерительной шкалы 3 относительно неподвижной диафрагмы 5
(рис. 1.12). Лазерный или светодиодный источник света 1 через объ¬
ектив 2 освещает часть измерительной шкалы. Параллельный пучок
света проходит на счетный фотоприемник 6, фотоприемник 7 опреде¬
ления направления перемещения и фотоприемник 8 нуль-метки при
совмещении соответствующего отверстия в диафрагме с прорезями
22
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок
Рис. 1.12. Линейный инкрементальный датчик перемещения
в измерительной шкале. Расстояние между отверстиями 6 и 7 рав¬
но 1,25 шага отверстий измерительной шкалы. Это позволяет один
из фотоприемников (например, 6) использовать для подсчета пе¬
ремещения, а второй (7) - для определения направления. Риска
нуль-метки 4 служит для определения начала координат.
В инкрементальных датчиках может применяться магнитный
или индукционный способ получения счетных импульсов. В первом
случае в качестве измерительной шкалы используется намагничен¬
ная полоса, сигнал с которой снимается датчиками магнитного поля.
Во втором случае с помощью индуктивных датчиков ведется под¬
счет числа зубцов перемещающейся зубчатой рейки.
Преимущества инкрементальных датчиков - высокая точность
и возможность измерения больших перемещений с минимальной
абсолютной погрешностью. К недостаткам следует отнести вероят¬
ность счета ложных импульсов при наличии помех от сварочного
оборудования. Диапазон измерения инкрементальных датчиков -
100 мм... 10 м, абсолютная погрешность-0,001...1 мм.
Линейные индуктосины являются разновидностью ин¬
дуктивных датчиков перемещения. Обмотки измерительной шкалы 1
1.2. Датчики
23
Рис. 1.13. Линейный индуктосин
и сканирующей головки 2 (рис. 1.13), изготовленные из плоских про¬
водников в форме меандра, наносятся на поверхности двух парал¬
лельных плоскостей, взаимное перемещение которых L подлежит
измерению. Эти плоскости расположены на расстоянии 0,1...0,5 мм
друг от друга, и при их перемещении это расстояние не изменяется.
Обмотки сканирующей головки запитываются двумя синусоидальны¬
ми напряжениями U] и Ц, сдвинутыми по фазе на угол п/ 2.
Для линейных индуктосинов фаза выходного сигнала ф связана
со смещением х сканирующей головки в пределах шага обмотки W
соотношением
ф = 2пх/ W.
При использовании индуктосинов следует иметь в виду, что для
определения абсолютного значения перемещения необходимо иметь
канал грубого отсчета на базе другого датчика либо обеспечить под¬
счет числа шагов с помощью счетчиков.
Линейные индуктосины применяют для измерения перемещения
от 0,1 до 10 м с точностью до 1 мкм, но наибольшее распространение
они получили в электронных штангенциркулях. Преимуществом
линейных индуктосинов является малая зависимость абсолютной
погрешности измерения от диапазона перемещения. К недостаткам
можно отнести возможность пропуска полного периода шага обмот¬
ки в случае действия помех при сварке, необходимость постоянного
подсчета числа шагов для определения координаты и обязательное
наличие точного датчика начала отсчета.
1.2.3. Датчики угла поворота
Потенциометрические датчики. Наиболее простыми являют¬
ся потенциометрические датчики угла поворота. По принципу рабо¬
ты они аналогичны потенциометрическим датчикам перемещения,
24
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок
но их конструкция такова, что поворот оси приводит к перемеще¬
нию подвижного контакта по кольцевому резистору. Различают од¬
но- и многооборотные датчики. Диапазон измерения однооборотных
датчиков обычно не превышает 300°, а конструкция многооборотных
датчиков позволяет измерять угол в пределах до 100 полных оборотов
за счет встроенного редуктора. Основным преимуществом потенцио¬
метрических датчиков является прямая зависимость выходного сиг¬
нала от угла положения вала. Недостатком же, как и в случае датчиков
перемещения, является ненадежность подвижного токосъемного кон¬
такта и «искрение» контакта при перемещении по резистивному слою.
Энкодеры. Энкодеры - это датчики угла поворота с дискретным
выходом. Их подразделяют на инкрементальные и абсолютные. Рабо¬
та инкрементальных энкодеров основана на преобразовании враще¬
ния в две последовательности электрических импульсов (рис. 1.14).
По этим последовательностям можно определить направление вра¬
щения и угол поворота вала с помощью реверсивного счетчика, по¬
дав один из выходов на счетный вход, а другой - на вход направления
счета. Если вал останавливается, то передача импульсов прекраща¬
ется. Основным рабочим параметром датчика является количество
импульсов за один оборот. Часто имеется также цифровой выход ну¬
левого положения вала, который позволяет рассчитать абсолютное
положение вала, если питание устройства не выключалось.
Абсолютные энкодеры считывают угловое положение вала
со специального диска, на котором зашифровано каждое возможное
угловое положение. При этом не требуется первичной установки
и инициализации датчика, и они всегда выдают фактическое значе¬
ние угла в пределах одного оборота.
По принципу действия энкодеры могут быть оптическими, маг¬
нитными и механическими.
Оптические энкодеры имеют жестко закрепленный соосно валу
стеклянный диск с прецизионной оптической шкалой. При враще¬
нии диска оптопара считывает информацию, а электронный блок
преобразует ее в последовательность дискретных электрических
импульсов. За один оборот оптические энкодеры вырабатывают
102... 105 импульсов.
Магнитные энкодеры с высокой точностью регистрируют про¬
хождение магнитных полюсов вращающегося на валу магнитного
элемента вблизи двух чувствительных элементов, преобразуя эти
данные в соответствующий цифровой код. За один оборот магнит¬
ные энкодеры вырабатывают от 4 до 64 импульсов.
1.2. Датчики
25
I
3
QQ
<N
§
X
3
PQ
t
t
g
x
3
PQ
Вращение против хода часовой стрелки
<N
I
3
PQ
Рис. 1.14. Выходные сигналы при вращении энкодера
Механические энкодеры имеют два электрических контакта, ко¬
торые замыкаются и размыкаются при вращении оси с закреплен¬
ным на ней специальным диском. За один оборот механические
энкодеры вырабатывают от 8 до 64 импульсов. Чаще всего их при¬
меняют в качестве ручек управления оборудованием.
Магнитные датчики. Работа магнитных датчиков угла основа¬
на на действии двух датчиков магнитного поля 2 и 3 (рис. 1.15), кото¬
рые реагируют на магнитное поле вращающегося на валу магнита /.
В любом угловом положении постоянный магнит создает магнитное
26
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок
sin а
£
cos а
4
а
Рис. 1.15. Магнитный датчик угла
поле, которое фиксируется двумя перпендикулярно расположенны¬
ми датчиками. При этом на выходе одного сигнал будет пропорци¬
онален синусу угла поворота, а на выходе другого - косинусу этого
угла. Вычислитель 4 по сигналам с двух датчиков однозначно рас¬
считывает угол а. Магнитный датчик позволяет определить угол
с погрешностью до долей градуса. Преимущества датчика - высокая
надежность работы и минимальное число элементов, недостатком
следует считать возможные погрешности измерения при действии
сильных магнитных полей от сварочных проводов.
Синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы. Ши¬
рокое распространение в качестве электромагнитного датчика полу¬
чил вращающийся трансформатор - индукционная микромашина,
выходное напряжение которой является функцией входного напря¬
жения и угла поворота ротора. При этом зависимость от входного на¬
пряжения является линейной, а от угла поворота ротора - синусной
или косинусной.
В самом простом случае на роторе вращающегося трансформатора
размещена обмотка возбуждения 1 (рис. 1.16), а на статоре - две оди¬
наковые обмотки с пространственным сдвигом одна относительно
другой на 90°, синусная 2 и косинусная 3. Обмотку возбуждения за¬
питывают переменным напряжением U = Umsin(dt. Под действием
этого напряжения создается пульсирующий магнитный поток, кото¬
рый наводит во вторичных обмотках ЭДС, пропорциональную синусу
и косинусу угла поворота ротора а. Выходной сигнал этих обмоток:
U - kU cos а.
вых cos ,vvBx
BblXCOS
1.2. Датчики
27
Рис. 1.16. Синусно-косинусный вращающийся трансформатор
Синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ)
позволяют определить угол с погрешностью до долей градуса. Пре¬
имущество этих датчиков - высокая надежность работы. К недо¬
статкам следует отнести сложную схему обработки сигналов для вы¬
деления информации об угле и возможные ошибки измерения при
действии сильных магнитных полей в процессе сварки.
1.2.4. Датчики скорости вращения
Импульсные датчики. Принцип работы простейших импульсных
датчиков скорости вращения заключается в счете числа оборотов N
в единицу времени. Для измерения больших скоростей с удовлетвори¬
тельной точностью этого достаточно. При необходимости для измере¬
ния малых скоростей с повышенной точностью применяют датчики,
у которых на один оборот выдается несколько десятков сотен или даже
тысяч импульсов. Наибольшее распространение получили оптические
и магниторезистивные импульсные датчики скорости вращения.
В простейшем оптическом датчике скорости вращения исполь¬
зуется диск с N отверстиями или прорезями. Этот диск монтируют
на вал, скорость вращения которого требуется измерить. По одну
сторону диска устанавливают источник света, по другую - прием¬
ник света, в качестве которого может быть использован фотодиод
или фототранзистор.
При невозможности установить на вал подобный диск в оптиче¬
ском датчике скорости вращения может использоваться отраженный
свет. На поверхность вала с помощью специальной краски параллель¬
но оси вращения с равномерным шагом наносят N полос. Луч све¬
та от источника направляется на поверхность вала, а фотоприемник
28
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок
воспринимает отраженный свет. Если вал темный, наносят светлые по¬
лосы, если вал отшлифован и хорошо отражает свет - полосы темные.
Для применения магниторезистивного датчика скорости враще¬
ния на вал устанавливают зубчатое колесо с N зубцами или исполь¬
зуют имеющуюся в механизме шестерню из магнитного материала.
На некотором расстоянии от зубчатого колеса размещают магнит с по¬
люсными наконечниками так, чтобы расстояние по дуге между ни¬
ми было кратно шагу зубчатого колеса. На полюсных наконечниках
магнита устанавливают магниторезисторы, сопротивление которых
увеличивается при совпадении зубцов колеса с полюсами магнита.
За один оборот колеса или шестерни число таких совпадений равно N.
Недостатками импульсных датчиков являются дискретность из¬
мерения и возможность ошибок при действии электромагнитных
помех в процессе сварки.
Тахогенератор постоянного тока. Тахогенератор постоянного
тока - это коллекторный генератор постоянного тока, статор кото¬
рого изготовлен из хорошо стабилизированных постоянных магни¬
тов, обеспечивающих погрешность воспроизведения индукции маг¬
нитного поля до 0,05%. В этом поле вращается ротор с обмоткой,
в которой возбуждается постоянное напряжение, пропорциональное
скорости его вращения. Это напряжение через коллектор подается
на выходные зажимы. Выходная характеристика может отклонять¬
ся от линейного закона в результате размагничивающего действия
выходного тока, протекающего в цепи якоря. Крутизна выходной
характеристики современных тахогенераторов постоянного тока
S = 3...100 мВ/(мин-1). Наиболее распространены тахогенераторы
с номинальной частотой вращения п = 1 500...3 000 мин-1.
Для работы тахогенераторов не требуется дополнительных ис¬
точников питания. Входной сигнал тахогенератора есть постоян¬
ное напряжение, зависящее от измеряемой скорости; оно может по¬
даваться непосредственно на системе управления Знак выходного
сигнала зависит от направления вращения. Недостатками тахогене¬
раторов является наличие щеток и коллектора, которые служат ис¬
точником помех и имеют ограниченный срок службы.
Тахогенератор переменного тока. Большое распространение
в ответственных узлах получили асинхронные тахогенераторы, ко¬
торые по конструкции подобны асинхронным электродвигателям
с полым короткозамкнутым ротором. На статоре такого тахогенера¬
тора расположены под углом 90° две обмотки, одна из которых (об¬
мотка возбуждения) питается переменным током постоянной частоты
1.2. Датчики
29
и постоянного напряжения, а вторая является выходной, и к ней может
быть подсоединен измерительный прибор.
При питании обмотки возбуждения переменным током возника¬
ет пульсирующий магнитный поток, который во вращающемся ро¬
торе индуцирует два вида ЭДС: трансформаторную ЭДС и ЭДС вра¬
щения. В контурах, перпендикулярных к оси обмотки возбуждения,
под действием трансформаторной ЭДС протекают токи и возникает
магнитный поток, который в соответствии с принципом Ленца на¬
правлен навстречу потоку обмотки возбуждения, однако его действие
компенсируется увеличением тока возбуждения. Поскольку ось гене¬
раторной обмотки перпендикулярна к оси измерительной обмотки,
этот магнитный поток не будет индуцировать выходную ЭДС.
В контурах, параллельных оси обмотки возбуждения, под дей¬
ствием ЭДС вращения протекают токи, которые создают свой маг¬
нитный поток. Пульсируя по оси генераторной обмотки, этот поток
наводит в ней выходную ЭДС. Таким образом, выходная ЭДС асин¬
хронного тахогенератора пропорциональна скорости вращения, ее
частота равна частоте сети возбуждения, а фаза зависит от направ¬
ления вращения.
Преимуществом тахогенераторов переменного тока является
высокая надежность в связи с отсутствием подвижных контактов.
К недостаткам можно отнести наличие источника питания перемен¬
ного тока и переменный выходной ток, который, как правило, необ¬
ходимо выпрямить перед подачей на измерительную схему.
1.2.5. Датчики силы
Тензоэлектрические датчики. Датчики силы на основе тензо-
резисторов всегда содержат деформируемый упругий элемент и си¬
стему измерения деформации.
Тензоэлектрический датчик - это измерительный преобразова¬
тель деформации твердого тела, вызываемой механическими на¬
пряжениями, в электрически сигнал. Наибольшее распространение
получили тензодатчики сопротивления на базе тензорезисторов,
действие которых основано на их свойстве изменять электрическое
сопротивление под влиянием деформации (растяжения или сжатия).
Сопротивление электрического проводника
где р, /, S - удельное сопротивление, длина и площадь поперечного
сечения проводника.
30
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок
Рис. 1.17. Решетки тензодатчиков:
а, б, в-проволочные петлевая, витковая и с перемычками соответственно; г,д,е-
фольговые для измерения соответственно одной компоненты, трех компонент дефор¬
маций и кольцевых деформаций; 1 - проволока; 2 - выводы решетки; 3 - перемычки
= М>
Относительное изменение сопротивления
AR
R
где кт ~ 2 - коэффициент тензочувствительности тензорезистора;
£ - относительная ли-
F
неиная деформация по¬
верхности исследуемо¬
го объекта.
Конструктивно тен-
зорезистор представля¬
ет собой либо решетку
(рис. 1.17), изготовлен¬
ную из проволоки или
фольги (из константа-
на, нихрома, различ¬
ных сплавов на основе
Ni, Mo, Pt), либо пла¬
стину из полупрово¬
дника (например, Si).
Рис. 1.18. Схема тензодатчика:
1 - тензорезисторы R1-R4; 2 - упругий элемент
1.2. Датчики
31
г
▼F
ZV777777777?
777777777777/.
а
б
в
г
Рис. 1.19. Типы тензодатчиков:
а - шайба; б - S-образный; в - балка; г - колонна
Тензорезистор механически жестко соединяют (приклеивают или
приваривают) с упругим элементом тензодатчика либо крепят не¬
посредственно на исследуемой детали. Упругий элемент восприни¬
мает измеряемую силу F и преобразует ее в деформацию решетки
(пластины), что приводит к изменению сопротивления тензорези-
стора (рис. 1.18). Тензорезисторы R1-R4 подключают в мостовую
измерительную схему, которая позволяет определить минимальные
деформации. В этой схеме тензорезисторы R1 и R3 увеличивают со¬
противление при действии нагрузки, R2 и R4 - уменьшают его.
Наиболее распространенные типы датчиков показаны на рис. 1.19.
Преимущества тензорезисторов заключаются в высокой чув¬
ствительности и возможности измерения деформаций в двух плоско¬
стях, а также деформации при скручивании. Недостатки - сложные
схемы измерения слабых сигналов и сильная зависимость сигналов
от температуры.
Терморезисторы. Терморезисторы - это элементы, активное
сопротивление которых зависит от температуры. Их называют так¬
же термометрами сопротивления, или термосопротивлениями. Они
служат для измерения температуры в широком диапазоне: от -270
до +1600 °С. Различают металлические и полупроводниковые тер¬
морезисторы. Металлические терморезисторы изготовляют из чи¬
стых металлов: меди, платины, никеля, железа, реже из молибде¬
на и вольфрама. Для большинства чистых металлов температурный
коэффициент электрического сопротивления а при 20 °С составля¬
ет примерно (4,0...6,5) • 10_3 1/°С, т.е. при повышении температу¬
ры на 1 °С сопротивление металлического терморезистора увели¬
чивается на 0,40...0,65%. Наибольшее распространение получили
1.2.6. Датчики температуры
32
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок
медные и платиновые терморезисторы. Для измерения высоких
температур применяют вольфрам и молибден, хотя терморезисторы
из них имеют характеристики, несколько отличающиеся от образ¬
ца к образцу. Сопротивление R металлического проводника зависит
от температуры:
R = Сеа\
где С - постоянный коэффициент, зависящий от материала и кон¬
структивных размеров терморезистора.
Как известно, абсолютная температура, Г, К, связана с темпера¬
турой t, °С, соотношением
Т =273 °С + /.
Широкое применение в автоматике получили полупроводнико¬
вые терморезисторы, которые для краткости называют термистора¬
ми. Материалом для них служат германий и кремний с различными
примесями оксидов марганца, никеля, кобальта и др. По сравнению
с металлическими полупроводниковые терморезисторы имеют мень¬
шие размеры и более высокие значения номинальных сопротивлений.
Температурный коэффициент электрического сопротивления терми¬
сторов имеет отрицательные значения (до а = (-6...-5) • 10~2 1/°С),
т. е. при увеличении температуры сопротивление датчика уменьшает¬
ся. Существенный недостаток термисторов по сравнению с металли¬
ческими терморезисторами - непостоянство указанного коэффициен¬
та. С ростом температуры значение а резко снижается, т.е. термистор
имеет нелинейную характеристику.
Основной характеристикой терморезистора является зависи¬
мость его сопротивления R от абсолютной температуры Т:
R = AealT.
Термоэлектрические датчики (термопары). Работа термо¬
электрических датчиков основана на появлении термоэлектродви¬
жущей силы (термоЭДС) в электрической цепи из двух разнородных
металлических проводников (или полупроводников). Если с одного
конца проводники соединить, а место соединения (спай) нагреть,
то в такой цепи возникает ЭДС, пропорциональная разности тем¬
ператур соединенных и свободных концов. Коэффициент пропор¬
циональности зависит от материала проводников и в определенном
интервале температуры остается постоянным. Цепь, составленная
из двух разнородных материалов, называют термопарой; проводни¬
ки, составляющие термопару, являются термоэлектродами; место
1.2. Датчики
33
соединения термоэлектродов называют спаем. Спай, помещаемый
в среду, температуру которой необходимо измерить, называют го¬
рячим, или рабочим. Спай, относительно которого измеряется тем¬
пература, называют холодным, или свободным. Возникающую при
различии температур горячего и холодного спаев ЭДС называют
термоЭДС. По значению термоЭДС можно определить температуру
(табл. 1.1). Для измерения термоЭДС, вырабатываемой термопарой,
включают измерительный прибор (например, милливольтметр), пу¬
тем размыкания свободного спая (рис. 1.20, а), либо в разрыв одного
из термоэлектродов (рис. 1.20, б).
Таблица 1.1
ТермоЭДС основных материалов для термопар в паре с платиной
(температура горячего спая равна 100 °С, температура холодного
спая - нулю)
Материал
ТермоЭДС, мВ
Материал
ТермоЭДС, мВ
Платина
0
Медь
+0,76
Кремний
+44,8
Плати нородий*
+0,64
Хромель
+2,95
Вольфрам
+0,80
Железо
+1,80
Алюмель
-1,15
Молибден
+ 1,30
Копель
-4,70
* 10% родия.
К материалам для термоэлектродов термопар кроме получения
высокого значения термоЭДС предъявляют и другие требования.
Наиболее важным из них является обеспечение взаимозаменяемо¬
сти. Это означает, что термопары одного и того же типа при одина¬
ковой температуре должны иметь одну и ту же термоЭДС. В этом
случае замена термопары не приводит к перенастройке или перегра-
дуировке измерительного прибора. Термопары часто используются
в очень тяжелых условиях (высокие температуры, агрессивная сре¬
да и т.п.), поэтому их необходимо заменять уже через 1...2 тыс. ч.
Измерительные приборы способны работать годами, их нецелесо¬
образно менять при замене термопары.
Для измерения высоких температур применяют термопары
типа ТНС из тугоплавких металлов (вольфрама и молибдена).
Наибольшее распространение получили термопары типа ТХА
34
Глава I. Элементы автоматики сварочных установок
а б
Рис. 1.20. Схемы включения термопары в измерительную цепь:
а, б- измерительный прибор 1 подключен соединительными проводами 2 соот¬
ветственно к концам термоэлектродов 3,4 ив разрыв термоэлектрода 4\
Тх, Т2- температуры горячего и холодного спаев термопары
(хромель - алюмель) и типа ТХК (хромель - копель). Зависимость
термоЭДС этих термопар от температуры показана на рис. 1.21.
Хромель-алюмелевые термопары применяют для измерения тем¬
ператур в пределах от -50 до +1 000 °С. Они способны работать
Е, мВ
Рис. 1.21. Зависимость термоЭДС Е от температуры t для термопар раз¬
личных типов
1.2. Датчики
35
в окислительной среде, поскольку образуемая при нагреве тонкая
защитная пленка препятствует проникновению кислорода внутрь
металла. Зависимость термоЭДС от температуры для термопар
ТХА близка к линейной. Хромель-копелевые термопары имеют
самую высокую чувствительность: 6,95 мВ на 100 °С. Однако диа¬
пазон измеряемых температур (от -50 до +600 °С) более узкий,
чем для термопар типа ТХА. Несколько хуже у термопар типа ТХК
и линейность характеристики. Их преимуществом является более
высокая влагостойкость. Термопару типа ТНС применяют в диа¬
пазоне температур от 300 до 1 000 °С. Ее термоЭДС невелика - все¬
го 13,39 мВ при 1 000 °С. Характерная особенность этой термо¬
пары заключается в том, что на точность ее работы практически
не влияет температура холодного спая. Это объясняется тем, что
термоЭДС термопары типа ТНС в диапазоне низких температур
(до 200 °С) практически близка к нулю. Следовательно, изменения
температуры холодного спая, вызванные обычными погодными ко¬
лебаниями в помещении и даже на улице, почти не влияют на ре¬
зультаты измерения.
Измерение термоЭДС проводят двумя способами: измеряя ее
при подключении напряжения в разрыв одного из проводов соглас¬
но схеме на рис. 1.20, б, или вычитая температуру холодного спая
при включении по схеме, приведенной на рис. 1.20, а. В первом
случае неиспользуемый спай помещают в воду со льдом при тем¬
пературе близкой к нулю. Во втором случае температуру холодного
спая определяют другим способом, например с помощью терморе¬
зистора, и прибавляют эту температуру к значению, вычисленному
по термоЭДС.
Оптические пирометры. Оптическая пирометрия позволяет
измерять температуру поверхности тела без контакта с ним, она ос¬
нована на измерении интенсивности теплового излучения. Интен¬
сивность теплового излучения сильно зависит от температуры тел
и очень резко убывает с ее уменьшением. Поэтому методы пироме¬
трии применяют для измерения относительно высоких температур,
выше 200 °С. При температуре до 1 000 °С методы пирометрии игра¬
ют в целом второстепенную роль, при / > 1 000 °С они становятся
главными, при t > 3 000 °С - практически единственными методами
измерения температуры.
Определение температуры оптическим способом основано на одно¬
значной зависимости спектральной интенсивности излучения от тем¬
пературы нагретого тела. Универсальной формулой, устанавливающей
36
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок
связь между температурой Г, длиной волны X и спектральной плотно¬
стью излучения гг является формула Планка
Оптическое измерение температуры осуществляют тремя мето¬
дами: радиационным, яркостным (частичного излучения) и цвето¬
вым (спектрального отношения). Трем методам соответствуют по¬
нятия о трех условных температурах: радиационной Г, яркостной Тя
и цветовой Гцв. Наиболее широкое применение в сварочном произ¬
водстве получили радиационные пирометры.
Принцип действия радиационных пирометров основан на том,
что по закону Стефана - Больцмана интегральная мощность излуче¬
ния абсолютно черного тела зависит от температуры: М° = аГ4, где
а ~ 5,67 • КГ8 Вт/(м2 • К4). Объектив радиационного пирометра фо¬
кусирует излучение объекта измерения на приемник, сигнал которо¬
го регистрируется прибором, прокалиброванным по излучению аб¬
солютно черного тела и показывающим радиационную температуру
7\ Истинная температура тела определяется по формуле
где в - интегральный коэффициент излучательной способности.
Недостатком радиационных пирометров является большое рас¬
хождение между радиационной и истинной температурой при не¬
точном определении коэффициента 8. Следует также отметить, что
радиационные пирометры измеряют только среднюю температуру
на достаточно большой площади, которая определяется шириной
поля зрения и удалением до объекта измерения. Преимущество бес¬
контактных пирометров - отсутствие непосредственного взаимо¬
действия с объектом, вследствие чего тепловое поле объекта при из¬
мерении температуры не искажается.
В настоящее время для бесконтактного измерения распределе¬
ния температуры по поверхности применяют методы тепловидения.
В тепловизионных пирометрах в фокусе приемной линзы находится
матрица, составленная из теплочувствительных элементов, выход¬
ные сигналы которых сканируются и передаются для дальнейшей
обработки в микропроцессор или компьютер. Разрешающая способ¬
ность таких пирометров достигает 0,1 °С.
14380
1.2. Датчики
37
1.2.7. Датчики электрических параметров
Датчики напряжения. Датчики напряжения в сварке, как пра¬
вило, представляют собой делители напряжения. Диапазон измеряе¬
мых значений - от единиц вольт до десятков киловольт при электрон¬
но-лучевой сварке. Применяют резистивные делители позволяющие
нормировать входной сигнал к стандартному уровню для измерения
или отображения (рис. 1.22). Напряжение на выходе делителя с уче¬
том того, что входное сопротивление измерителя много больше /?2,
вычисляют по формуле
Основной недостаток резистивного делителя - гальваническая связь
между входным и выходным напряжением, поскольку один из входных
проводников является также и выходным. Это не позволяет измерять
одновременно в одном устройстве несколько напряжений, которые
не имеют общего провода. Для исключения гальванической связи меж¬
ду входным и выходным напряжением применяют датчики напряжения
с гальванической развязкой. Они позволяют измерять напряжение меж¬
ду двумя точками, которые могут находиться под любым потенциалом.
Рис. 1.22. Резистивный делитель
напряжения
Датчики тока. Для измерения тока используют три способа: не¬
посредственное подключение измерителя в разрыв измеряемой це¬
пи, измерение падения напряжения на шунте и измерение с помо¬
щью датчика магнитного поля на основе эффекта Холла.
Непосредственное измерение тока применяют при токах до 10 А
(рис. 1.23, а), измерение с помощью шунта (рис. 1.23, б) - при токах
а б
R1
R2 Un
I
Рис. 1.23. Измерение тока при непосредственном включении ампермет¬
ра (а) и при измерении падения напряжения на шунте (б)
38
Глава /. Элементы автоматики сварочных установок
до 1 000 А. Стандартные шунты нормируют на ток, при котором па¬
дение напряжения на них составляет 75 мВ (иногда 50 мВ), тогда ток
в цепи можно рассчитать по формуле
1 = 10иП5,
где /0 - номинальный ток шунта; U- падение напряжения, мВ.
Датчики на основе эффекта Холла позволяют измерять токи
от долей ампера до десятков килоампер. Процесс основан на изме¬
рении магнитного поля, которое наводится током в проводнике, про¬
пущенном через замкнутый магнитопровод. Кроме широкого диа¬
пазона измерения преимуществом этого метода является отсутствие
гальванической связи между измеряемой и измерительной цепями,
что важно при измерении тока в проводниках, находящихся под на¬
пряжением. Датчики подразделяют на разъемные (токовые клещи)
и неразъемные. Преимущество разъемных датчиков - простота под¬
ключения, недостаток - высокая погрешность при неплотном сжа¬
тии кромок.
1.2.8. Датчики магнитного поля
Для измерения магнитного поля используют датчики на основе
эффекта Холла и магниторезисторы.
Эффект Холла заключается в появлении в проводнике с током,
помещенном в магнитное поле, электрического поля, перпендику¬
лярного к магнитному и к направлению тока. Это приводит к воз¬
никновению напряжения, пропорционального току, напряженности
магнитного поля и синусу угла между направлением тока и векто¬
ром магнитного поля. Конструктивно датчики Холла состоят из чув¬
ствительного элемента Холла, стабилизатора питания, схемы усиле¬
ния сигнала и выходного каскада. Датчики Холла выпускают одно-,
двух- и трехосные с выходным сигналом двух типов: с цифровым
и с аналоговым выходом.
Работа магниторезисторов основана на эффекте магнитосопротив-
ления, который объясняется тем, что в присутствии магнитного поля
на носители тока (электроны) действует сила Лоренца, изменяющая
их траекторию. Если бы не было магнитного поля, то под действием
приложенного к проводящему телу напряжения носители тока пере¬
мещались бы по кратчайшему пути. Изменение траектории под дей¬
ствием магнитного поля удлиняет путь носителей тока, что проявляет¬
ся как увеличение сопротивления. В сильных поперечных магнитных
полях некоторые вещества могут иметь относительное увеличение
1.3. Устройства передачи информации
39
сопротивления а = AR/R в десятки раз. Обычно величина а связана
с напряженностью магнитного поля квадратичной зависимостью.
1.3. Устройства передачи информации
Передача информации - физический процесс, посредством ко¬
торого осуществляется перемещение информации в пространстве.
Этот процесс характеризуется наличием следующих компонентов:
• источник информации;
• приемник информации;
• носитель информации;
• среда передачи.
В сварочном оборудовании будем рассматривать передачу ин¬
формации в следующих направлениях:
• от датчиков к устройствам обработки информации;
• от устройства обработки информации к исполнительным
устройствам;
• между различными устройствами обработки информации.
В подавляющем большинстве случае в сварке информация пе¬
редается электрическим током по электрическим проводам, в ред¬
ких случаях носителем информации являются свет, радиоволны или
сжатый газ.
Наиболее распространенные типы передаваемой информации:
• бинарная;
• аналоговая;
• цифровая.
1.3.1. Передача бинарной информации
Передача бинарной информации предполагает различение
только двух состояний, например включено-выключено, есть-нет,
вверх-вниз, больше-меньше идр. Для передачи бинарной информа¬
ции используют ток или напряжение, при этом наиболее важными
параметрами являются условия передачи и приема логического «О»
и логической «1». Наиболее часто применяемые типы сигналов и их
характеристики приведены в табл. 1.2. Сигналы ТТЛ или КМОП слу¬
жат для передачи информации на небольшие расстояния (до 0,5 м),
как правило, в пределах корпуса прибора. Для передачи логических
сигналов на большие расстояние применяют токовую петлю или на¬
пряжение 5, 10 или 24 В.
40
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок
Таблица 1.2
Условия передачи и приема логической информации
Уровень сигнала
Передача «0»
Прием «0»
Передача «1»
Прием «1»
ТТЛ*
<0,4 В
<0,8 В
>2,4 В
> 2 В
5 В
<0,5 В
< 1 В
> 4 В
>4,5 В
10В
< 1 В
< 2 В
>8 В
> 9 В
24 В
<2 В
< 7 В
>21 В
> 16В
20 мА**
> 20 мА
> 15 мА
< 1 мА
< 3 мА
* Транзисторно-транзисторная логика.
** Токовая петля.
Передача сигнала напряжением. Каждый электрический ка¬
бель обладает определенным погонным сопротивлением. Входное
сопротивление приемного устройства - не бесконечно, поэтому
по кабелю будет протекать ток, приводящий к некоторому паразит¬
ному падению напряжения. Если приемные устройства имеют высо¬
кое входное сопротивление, то они становятся очень чувствительны
к помехам, возникающим при работе сварочного оборудования. Од¬
нако именно передача сигнала напряжением наиболее распростра¬
нена в сварочном оборудовании благодаря несложной конструкции
передатчика и приемника, а также наличию простых устройств для
усиления, фильтрации и других видов обработки.
В соответствии с табл. 1.2 помехоустойчивость тем выше,
чем больше напряжение передачи информации. Под помехоустой¬
чивостью в данном случае понимается вероятность приема логиче¬
ской «1», при передаче логической «1» и приема логического «0»,
при передаче логического «0». Ошибки могут возникать, если на¬
пример, при уровне сигналов 10 В в случае передачи логическо¬
го «0» с уровнем 1 В на провода наведется помеха 8 В, при этом
приемник примет логическую «1».
Передача сигнала током. Для передачи сигнала на значитель¬
ное расстояние или в условиях сильных помех лучше использовать
не напряжение, а ток, потому что он остается постоянным по длине
кабеля, а напряжение из-за сопротивления кабеля падает. На конце ка¬
беля токовый сигнал можно преобразовать в напряжение для дальней¬
шей обработки с помощью высокоточного шунтирующего резистора.
1.3. Устройства передачи информации
41
Так,для тока 20 мА при сопротивлении шунта 250 Ом падение на¬
пряжения будет составлять 5 В. Если источник сигнала, т.е. преоб¬
разователь напряжения в ток, имеет высокий выходной импеданс,
то любая помеха при передаче приведет к небольшому, обычно до¬
пустимому, падению напряжения на шунте. При постоянном токе
и идеальной изоляции сопротивление кабеля не влияет на сигнал,
т.е. ток на входе и выходе одинаков и не зависит от длины кабеля.
Международный стандарт IHC 381 для передачи сигналов рекомен¬
дует диапазон токов 4...20 мА. Минимальный уровень сигнала со¬
ставляет 4 мА, чтобы можно было обнаружить разрыв цепи с нуле¬
вым значением тока.
Передача оптических сигналов. Передача сигналов по оптово¬
локонному кабелю стала обычной практикой во многих измеритель¬
ных и коммуникационных приложениях и все чаще применяется
в сварочном оборудовании. Оптическая передача информации тре¬
бует достаточно сложного и дорогостоящего цифрового коммуника¬
ционного оборудования. С помощью лазеров или светодиодов циф¬
ровые электрические сигналы преобразуются в световые импульсы,
которые затем передаются по оптическому волокну. На приемном
конце световые импульсы снова преобразуются в электрические
сигналы с помощью оптоэлектронных датчиков. Оптический сигнал
невосприимчив к магнитным и электрическим помехам и обеспечи¬
вает абсолютную гальваническую изоляцию. Этот способ передачи
предпочтителен для больших расстояний (> 1 км), а также в слож¬
ных условиях, например вблизи осциллятора или высокочастотно¬
го инвертора. Применение оптических сигналов в сварке в большей
степени обусловлено их помехоустойчивостью, а не высокой про¬
пускной способностью.
1.3.2. Передача аналоговой информации
Большинство датчиков преобразуют физические величины (си¬
лу, расстояние, скорость, давление, расход, магнитный поток) в ана¬
логовые сигналы напряжения или тока. Общая схема передачи ана¬
логового сигнала приведена на рис. 1.24. На схеме показаны:
• источник сигнала, имеющий источник напряжения £/и и вну¬
треннее сопротивление /?и;
• линия передачи с собственным сопротивлением /?л, на кото¬
рую действует последовательная помеха с напряжением t/ncin;
• приемник полезного измеренного сигнала £/, обладающий
внутренним сопротивлением Rn.
42
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок
Источник
сигнала
и,
.©
R„
Лл
□
Линия передачи
■е
Приемник
сигнала
ис.
Рис. 1.24. Схема передачи аналогового сигнала
Напряжение на выходе приемника сигнала
U =R
Ц'+и^и. '
R* + Rn+Rn
Из выражения видно, что в идеальных условиях, т. е. при Rn =
/?и = 0, /?л = 0, Uncn п = 0, измеренное напряжение на выходе линии
точно равно напряжению на источнике: Uc = Uh. В реальном обору¬
довании условия далеки от идеальных и передача аналогового сиг¬
нала без искажений практически невозможна. Однако на практике
часто можно применить такую линию связи, в которой уровень по¬
мех не превышает некоторого значения, например предела чувстви¬
тельности прибора, и не влияет на точность передачи сигнала.
Для передачи аналогового сигнала используют несколько схем:
• одно- или двухпроводная линия с общей точкой заземления;
• двухпроводная линия с гальванической развязкой;
• токовая передача.
Самую простую однопроводную линию передачи аналогового
сигнала (рис. 1.25) применяют, если источник и приемник сигнала
расположены в одном корпусе и соединены общей шиной (Uncn п = 0).
В этом случае формула имеет вид
U=R
U„
п R.+R,
Из формулы следует, что необходимым условием передачи сиг¬
нала без искажения является /?и « /?п. На практике, чтобы искаже¬
ния сигнала не превысили 1 %, достаточно, чтобы 7?и было в 100 раз
меньше Rn. Важно отметить, что если выходное сопротивление
1.3. Устройства передачи информации
43
Источник
сигнала
иг
■ф
-с
Линия передачи
Приемник
сигнала
L J
Рис. 1.25. Передача сигнала по однопроводной линии
источника сигнала и входное сопротивление приемника сигнала
не изменяются при изменении сигнала, то отношение /?п / (7?и + /?и)
будет постоянным и при его расчете можно учесть как коэффициент
усиления, меньший единицы.
Если точки заземления источника и приемника сигнала распо¬
ложены на значительном расстоянии или по общему проводу может
протекать ток сварки или питания сварочного источника, что при¬
едет к значительному падению напряжения на нем, то применяют
двухпроводную схему подключения с дифференциальным входным
каскадом (рис. 1.26). В этом случае выходное напряжение
u=u:-u: = r
и.. +и„
п R +/? +R
U
псл.п
nR„+R„
Источник
сигнала
Приемник
сигнала
Линия передачи
-CZb
и.
■Ф
и„,
и:
ис= (и;)-(и~)
°uQ
и:
Дифференциальный
каскад
Рис. 1.26. Передача сигнала по двухпроводной линии
44
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок
При условии, что /?и » (Rn + /?п), напряжение последовательной
помехи U может быть полностью скомпенсировано; при этом вы¬
пел. п г 7 г
ходной сигнал
U=R
Uu
" Rn+R
1.3.3. Передача цифровой информации
Передача информации в цифровом виде предполагает много¬
кратную передачу только двух состояний: логического «О» и логи¬
ческой «1». Это значительно упрощает способ передачи сигнала
и повышает помехоустойчивость, но требует сложного оборудова¬
ния по преобразованию сигнала в цифровую форму и обратно. Как
правило, данные передаются пакетами, содержащими от одного
до нескольких тысяч байт, каждый из которых содержит 8 бит. (Бит -
минимальная единица передаваемой информации, которая может
принимать только два значения - «О» или «1».)
Передача информации в цифровой форме позволяет добиться
полного отсутствия искажений при передаче на любые расстояния
в условиях любых помех при применении соответствующих ин¬
терфейсов, протоколов и алгоритмов восстановления ошибок. Под
интерфейсом понимается совокупность унифицированных аппара¬
турных, программных и конструктивных средств, необходимых для
передачи данных в автоматических системах сбора и обработки ин¬
формации при условиях, предписанных стандартом и направленных
на обеспечение информационной, электрической и конструктивной
совместимости. Наиболее важными параметрами интерфейса явля¬
ются пропускная способность и максимальная длина подключаемо¬
го кабеля. Протокол передачи данных - это набор правил, определя¬
ющих начало, проведение и окончание сеанса передачи информации
между приемником и передатчиком сигнала. Алгоритмы восстанов¬
ления ошибок позволяют сохранить передаваемую информацию
при ее частичной потере за счет передачи избыточных данных.
Интерфейсы передачи данных подразделяют на параллельные
и последовательные. В параллельных интерфейсах передача данных
осуществляется одновременно по нескольким проводникам, как пра¬
вило, байтами, а в последовательных интерфейсах данные переда¬
ются последовательно битами по одному каналу передачи. В насто¬
ящее время последовательные интерфейсы повсеместно вытесняют
1.3. Устройства передачи информации
45
параллельные ввиду повышения частоты работы электронных схем
до десятков гигагерц, что делает неважным главное преимущество
параллельных интерфейсов - скорость передачи данных.
При обмене данными по последовательным интерфейсам ис¬
пользуют три метода передачи данных:
1) симплексный (однонаправленная передача);
2) полудуплексный (прием и передача данных осуществляются
поочередно);
3) дуплексный (передача одновременно в обоих направлениях).
В сварочных системах наиболее часто применяют полудуплекс¬
ную передачу данных.
Наиболее распространены в сварочном оборудовании после¬
довательные интерфейсы: RS485, RS232, промышленный Ethernet,
CAN, ProfiBus.
1.3.4. Промышленные сети
Обмен информацией между устройствами, входящими в состав
автоматизированной системы (компьютерами, контроллерами, дат¬
чиками, исполнительными устройствами), происходит в общем слу¬
чае через промышленную сеть.
В промышленных сетях для передачи данных применяют:
• электрические линии;
• волоконно-оптические линии;
• беспроводную связь (радиомодемы и Wi-Fi).
Промышленные сети отличаются от офисных следующими
свойствами:
• специальное конструктивное исполнение (обеспечивающее
защиту от пыли, влаги, вибрации, ударов);
• широкий температурный диапазон (обычно от -40 до +70 °С);
• повышенная прочность кабеля, изоляции, разъемов, элемен¬
тов крепления;
• повышенная устойчивость к воздействию электромагнитных
помех;
• возможность резервирования для повышения надежности;
• повышенная надежность передачи данных;
• возможность самовосстановления после сбоя;
• детерминированность (определенность) времени доставки
сообщений;
• возможность работы в реальном времени (с малым, постоян¬
ным и известным интервалом задержки);
46
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок
• работа с длинными линиями связи (от сотен метров до не¬
скольких километров).
В настоящее время насчитывается более 50 типов промышленных
сетей (Modbus, Profibus, CANopen, DeviceNet, Lon Works, ControlNet,
SDS, Seriplex, ArcNet, BACnet, FDDI, FIP, FF, ASI, Ethernet, WorldFIP,
Foundation Fieldbus, Interbus, BitBus и др.). Однако широкое распро¬
странение имеет только часть из них. В России подавляющее боль¬
шинство АСУ ТП используют сети Modbus и Profibus. В последние
годы возрос интерес к сетям на основе CANopen и DeviceNet. Рас¬
пространенность в России той или иной промышленной сети связа¬
на, в первую очередь, с предпочтениями и активностью российских
фирм, продающих импортное оборудование.
1.4. Усилители
Усилителем называют устройство, преобразующее маломощ¬
ный сигнал на входе в сигнал большей мощности на выходе с мини¬
мальными искажениями формы. Как правило, входной сигнал имеет
ту же физическую природу, что и выходной. В сварочном оборудо¬
вании наиболее часто применяют электронные усилители, которые
усиливают электрические сигналы. Усиление мощности сигнала
осуществляется за счет потребления усилителем энергии от допол¬
нительного источника, называемого источником питания. Следова¬
тельно, усилитель представляет собой устройство, входной сигнал
которого управляет преобразованием энергии источника питания
в энергию выходного сигнала. Источниками входного сигнала явля¬
ются датчики или устройства выработки управляющих воздействий,
приемниками усиленного сигнала служат исполнительные механиз¬
мы и устройства.
По типу построения усилители подразделяют:
• на усилители переменного тока, усиливающие только пере¬
менную составляющую (преимущества: простая схемотехника, вы¬
сокий коэффициент усиления);
• усилители постоянного тока, усиливающие как переменную,
так и постоянную составляющую входного сигнала (недостатки:
сложная схемотехника, наличие дрейфа выходного сигнала).
По назначению:
• на предварительные усилители, служащие для усиления сла¬
бых сигналов по амплитуде;
1.4. Усилители
47
• усилители мощности, служащие для усиления сигнала
по мощности для управления исполнительными устройствами.
Основные характеристики усилителей:
• коэффициент усиления;
• амплитудно-частотная характеристика;
• уровень шумов;
• собственный дрейф.
Коэффициент усиления - это отношение установившегося зна¬
чения выходного сигнала к заданному значению входного сигнала:
к =и /и .
у вых вх
У современных усилителей коэффициент усиления может до¬
стигать нескольких порядков, поэтому, как правило, его измеряют
в децибелах (дБ):
К = 2°18 ([/.№„).
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) показывает за¬
висимость коэффициента усиления от частоты входного синусои¬
дального сигнала (рис. 1.27). Частота, при которой усиление падает
в 1/V2 = 0,707 раз, называется полосой среза, а диапазон частот, где
усиление выше, - полосой пропускания усилителя.
Уровень шумов определяется значением выходного сигнала
во всей полосе частот при нулевом входном сигнале. Как правило,
он определяется отношением уровня шума к максимальному выход¬
ному сигналу:
K=20\g{U /U ).
04 ш вых max7
Собственный дрейф - это максимальное значение постоянной со¬
ставляющей на выходе при нулевом входном сигнале. Дрейф усилителя
Рис. 1.27. АЧХ усилителя
48
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок
обусловлен температурной нестабильностью элементов или измене¬
нием характеристик элементов в зависимости от времени. Максималь¬
но возможный собственный дрейф измеряется в милливольтах (мВ),
а зависимость дрейфа от температуры может задаваться в мВ/°С.
По элементной базе, на которой построены усилители, их подраз¬
деляют на магнитные, тиристорные, транзисторные и интегральные.
1.4.1. Магнитные усилители
Работа магнитного усилителя электрических сигналов основана
на использовании нелинейной зависимости магнитной индукции В
от напряженности магнитного поля //, присущей ферромагнитным
материалам. Управляемыми элементами в магнитном усилителе яв¬
ляются катушки индуктивности с ферромагнитными сердечниками,
в которых действуют два переменных магнитных поля: одно изме¬
няется с частотой источника питания, другое - с частотой усили¬
ваемого сигнала. Простейший магнитный усилитель (рис. 1.28) со¬
стоит из двух замкнутых магнитопроводов, обмотки W1 которых
включены последовательно и питаются от источника переменного
напряжения -U. Вторичные обмотки W2 включаются последова¬
тельно и навстречу друг другу, поэтому их замыкание на небольшое
сопротивление не вызывает какого-либо изменения силы тока в пер¬
вичных обмотках. Если по обмоткам W2 пропустить постоянный
ток, то вследствие нелинейного характера кривой намагничивания
сердечников динамическая магнитная проницаемость снижается
и соответственно уменьшается индуктивность L1 первичных обмо¬
ток, при этом ток в обмотках возрастает. Таким образом, магнит¬
ный усилитель может уси¬
ливать только переменный
ток, при этом в качестве
управляющего сигнала ис¬
пользуется постоянное на¬
пряжение. Для получения
на выходе магнитного усили¬
теля сигнала той же формы,
что и усиливаемый сигнал,
устройство дополняют вы¬
прямителем в цепи нагрузки.
Магнитные усилители
имеют относительно высо¬
кую инерционность, которая
о-
~и
о-
- 6 и 6 +
Рис. 1.28. Магнитный усилитель
W1 W1
W2 W2
1.4. Усилители
49
объясняется главным образом отставанием изменения входного то¬
ка в управляющей обмотке от изменения входного напряжения, об¬
условленным индуктивностью управляющих обмоток. Поэтому их
применяют преимущественно для усиления сигналов постоянного
или медленно изменяющегося тока.
Существуют сотни модификаций схем и конструкций магнит¬
ных усилителей, различающихся видом нагрузочной характери¬
стики, способом осуществления обратной связи, числом и формой
сердечников, видом усиливаемых сигналов, системой смещения,
режимом работы. Основные преимущества магнитных усилителей:
большой срок службы, высокая надежность, простота обслужива¬
ния, низкий порог чувствительности для сигналов постоянного тока
(10_19...10“17 Вт), широкий диапазон усиливаемых мощностей
(от 10-13 Вт до нескольких десятков и даже сотен киловатт), по¬
стоянная готовность к работе, возможность суммировать на вхо¬
де несколько управляющих сигналов, значительная перегрузочная
способность, пожаро- и взрывобезопасность, стабильность харак¬
теристик в процессе эксплуатации. Несмотря на это, магнитные
усилители вытесняются вследствие больших габаритов и массы,
а также ввиду невозможности изменения параметров, которые опре¬
деляются конструкцией.
1.4.2. Тиристорные усилители
Тиристор - полупроводниковый прибор, выполненный на осно¬
ве монокристалла полупроводника с четырехслойной структурой
р-п-р-п-типа, обладающий свойствами электрического вентиля
и имеющий нелинейную разрывную вольт-амперную характеристи¬
ку (ВАХ). Он способен переключаться между состояниями высокой
и низкой проводимости. При подаче напряжения на тиристор он на¬
ходится в разомкнутом состоянии, пока не будет подано напряжение
на управляющий электрод. При подаче напряжения на управляю¬
щий электрод тиристор лавинообразно переходит в замкнутое со¬
стояние и находится в нем до момента падения напряжения питания
ниже напряжения запирания, обычно 1.. .2 В.
Как правило, тиристоры используют для коммутации перемен¬
ного или пульсирующего напряжения, что обеспечивает выключе¬
ние тиристора каждый раз при переходе напряжения через нуль.
Если на управляющий электрод постоянно подано напряжение,
то тиристор будет включен в каждом периоде сети до тех пор, пока
есть управляющее напряжение, что соответствует работе в режиме
50
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок
Рис. 1.29. Управление тиристором нагрузкой постоянного (а)
и переменного (б) тока
ключа для нагрузки постоянного (рис. 1.29, а) или переменного
(рис. 1.29, б) тока. Если управляющее напряжение подается корот¬
кими импульсами в разные фазы напряжения сети, то можно полу¬
чить плавное регулирование напряжения (рис. 1.30).
Тиристорные регуляторы широко применяют для управления
мощными нагрузками - до 1 000 кВт (двигателями, сварочными
трансформаторами, мощными источниками питания). Основные пре¬
имущества тиристорных регуляторов - высокая надежность и ма¬
лая рассеиваемая мощность, основные недостатки - невозможность
работы с постоянным напряжением и невысокое быстродействие.
и
0 Т
о
а
Т
0
иу
1
0
т
т
в
Рис. 1.30. Фазовое управление тиристором:
а - 20% мощности; б - 60% мощности; в - 100% мощности
1.4. Усилители
51
1.4.3. Транзисторные усилители
Транзистор - полупроводниковый прибор, служащий для уси¬
ления электрических сигналов. В зависимости от принципа работы
транзисторы делят на три основных класса: биполярные, полевые
и биполярные с изолированным затвором (IGBT).
Усилители на биполярных транзисторах. Основное свойство
биполярных транзисторов - усиление тока; при этом выходной ток
равен входному, умноженному на коэффициент усиления.
Существуют три основные схемы включения биполярных тран¬
зисторов, при этом один из электродов транзистора является общей
точкой входа и выхода каскада. Под входом (выходом) понимают
точки, между которыми действует входное (выходное) напряжение.
Основные схемы включения: с общим эмиттером (ОЭ), с общей ба¬
зой (ОБ) и с общим коллектором (ОК).
Схема включения с ОЭ является наиболее распространенной,
гак как дает наибольшее усиление по мощности. Усилительные
свойства транзистора характеризует один из главных его параме¬
тров - статический коэффициент передачи тока базы, или статиче¬
ский коэффициент усиления по току:
где А/к - приращение тока коллектора; А/к - приращение тока базы.
Этот коэффициент обычно равен десяткам или сотням единиц.
Коэффициент усиления каскада по напряжению равен отноше¬
нию амплитудных или действующих значений выходного и вход¬
ного переменного напряжения. Входное напряжение база-эмиттер
не превышает десятых долей вольта, а выходное напряжение коллек-
гор-эмиттер достигает единиц и десятков вольт (при достаточном
сопротивлении нагрузки и напряжении источника). Отсюда следу¬
ет, что коэффициент усиления каскада по мощности равен сотням,
тысячам, а иногда десяткам тысяч. Входное сопротивление транзи¬
стора при включении по схеме с ОЭ сравнительно небольшое, что
является существенным недостатком. Важно также отметить, что
каскад по схеме с ОЭ изменяет фазу выходного напряжения на 180°.
К преимуществам этой схемы можно отнести возможность исполь¬
зования одного источника, поскольку на базу и коллектор подаются
питающие напряжения одного знака. К недостаткам относят худ¬
шие частотные и температурные свойства (например, в сравнении
52
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок
со схемой с ОБ). При повышении частоты усиление в схеме с ОЭ
снижается. К тому же, каскад по схеме с ОЭ при усилении вносит
значительные искажения.
Схема включения транзистора с ОБ не дает значительного уси¬
ления, но обладает хорошими частотными и температурными свой¬
ствами. Ее применяют не так часто, как схему с ОЭ. Коэффициент
усиления по току схемы с ОБ всегда немного меньше единицы. Ко¬
эффициент усиления по напряжению получается таким же, как и
в схеме с ОЭ. Входное сопротивление схемы с ОБ в десятки раз ни¬
же, чем в схеме с ОЭ. Для схемы с ОБ фазовый сдвиг между входным
и выходным напряжением отсутствует. Кроме того, при усилении
схема с ОБ вносит гораздо меньшие искажения, чем схема с ОЭ.
Схему включения с ОК часто называют эмиттерным повторите¬
лем. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение пол¬
ностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицатель¬
ная обратная связь. Коэффициент усиления по току почти такой же,
как и в схеме с ОЭ. Коэффициент усиления по напряжению прибли¬
жается к единице, но всегда меньше нее. В итоге коэффициент уси¬
ления по мощности примерно равен (3, т. е. нескольким десяткам или
сотням единиц. В схеме с ОК фазовый сдвиг между входным и вы¬
ходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиле¬
ния по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фа¬
зе и амплитуде совпадает с входным. Именно поэтому такую схему
называют эмиттерным повторителем (эмиттерным потому, что вы¬
ходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего про¬
вода). Входное сопротивление схемы с ОК довольно высокое (де¬
сятки килоом), а выходное - сравнительно небольшое. Это является
главным преимуществом схемы.
Усилители на полевых транзисторах. Работа полевых транзи¬
сторов основана на модуляции сопротивления полупроводникового
материала поперечным электрическим полем. Таким образом, поле¬
вой транзистор - это переменное сопротивление, управляемое напря¬
жением. Основная характеристика полевого транзистора - крутизна
характеристики S, равная отношению приращения выходного тока
к приращению входного управляющего напряжения. Основные схемы
включения полевого транзистора: с общим истоком (ОИ) и с общим
стоком (ОС). Схема с ОИ позволяет усиливать и ток, и напряжение.
Схема с ОС усиливает только ток и является повторителем напряжения.
Полевой транзистор позволяет получить намного больший ко¬
эффициент усиления, чем биполярный. Обладая высоким входным
1.4. Усилители
53
сопротивлением (и низким выходным), полевые транзисторы по¬
степенно вытесняют биполярные. Чаще всего полевые транзисто¬
ры используют во входных каскадах предварительных усилителей,
обеспечивая большое входное сопротивление (до десятков мега-
ом). Появление в последнее время мощных полевых транзисторов
с очень низким сопротивлением в открытом состоянии (до 5 мОм)
позволило применять их в выходных каскадах усилителей мощ¬
ности и электронных ключах. Ограничением к более широкому
распространению полевых транзисторов является их меньшая на¬
дежность по сравнению с надежностью биполярных транзисторов,
обусловленная очень высоким входным сопротивлением, что на¬
кладывает особо жесткие требования по защите от статического
электричества.
Усилители на биполярных транзисторах с изолированным
затвором. Стремление совместить в одном приборе лучшие свой¬
ства полевого и биполярного транзисторов привели к созданию
комбинированного прибора - биполярного транзистора с изолиро¬
ванным затвором; в технической литературе его называют IGBT (от
англ. Insulator Gate Bipolar Transistor). Этот прибор нашел широкое
распространение в силовой электронике благодаря тому, что он по¬
зволяет с высокой скоростью коммутировать большие токи. Вход
IGBT подобен входу полевого транзистора, т. е. это прибор, управ¬
ляемый напряжением. Выход подобен выходу биполярного транзи¬
стора, т. е. выходные характеристики IGBT должны быть такими же,
как у биполярного транзистора. Прибор 1GBT является монолитной
кристаллической структурой из трех транзисторов, что позволяет
получить практически неограниченный коэффициент усиления. По¬
этому IGBT, как правило, используют в ключевых схемах усиления.
Для этой области применения основными характеристики скорость
включения и выключения, максимальные коммутируемые ток и на¬
пряжение. В настоящее время выпускают IGBT на токи до несколь¬
ких тысяч ампер, напряжения до нескольких тысяч вольт и частоты
переключения до 100 кГц. Это позволяет применять IGBT как для
коммутации силовых сигналов, так и в выходных каскадах инвер¬
торных сварочных источников.
Использование IGBT в инверторных сварочных источниках да¬
ст возможность повысить частоту преобразования до 100 кГц, что
позволяет резко уменьшить габариты трансформатора, а большой
коэффициент усиления этих транзисторов позволяет значительно
упростить схему управления и снизить потребляемую мощность.
54
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок
1.4.4. Интегральные усилители
Интегральная микросхема - микроминиатюрное электронное
устройство, все элементы которого связаны конструктивно и со¬
единены между собой электрически. Одной из разновидностей ин¬
тегральных схем является интегральный усилитель. Интегральные
усилители получили очень широкое распространение в двух направ¬
лениях: операционные усилители и специализированные усилители
мощности.
Операционные усилители. Операционный усилитель (ОУ) -
это усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и ко¬
эффициентом усиления более 1 000. Эти устройства обладают боль¬
шим коэффициентом ослабления синфазного сигнала, широкой
полосой пропускания, большим входным и малым выходным со¬
противлением, низким уровнем шумов и искажений. Благодаря это¬
му ОУ можно использовать в различных схемах усиления сигналов,
характеристики которых зависят только от нескольких пассивных
элементов и могут быть легко рассчитаны или изменены.
Основные схемы включения для усиления сигналов показаны
на рис. 1.31. Коэффициент усиления напряжения (К = UBtdJUBK) для
инвертирующего (рис. 1.31, а) и неинвертирующего (рис. 1.31, б)
Рис. 1.31. Основные схемы включения операционных усилителей:
а - инвертирующая; б - неинвертирующая; в - дифференциальная; г, д - инстру¬
ментальная
1.4. Усилители
усилителя определяется только сопротивлением резисторов. В пер*
вом и втором случае соответственно
к = —
' R,
К = 1+-^-.
R,
Ч 1Ч
Для дифференциального усилителя (рис. 1.31, в)
* = (£/„♦-^„-Ьг
Л, R,
у^ При условии ^ у^ *
Инструментальные усилители (рис. 1.31, г, Э) являются дифф^ч
ренциальными, но регулирование коэффициента усиления у них моч
жет осуществляться всего одним резистором (/?,), и они имеют очен^
высокое входное сопротивление.
Для схемы на рис. 1.31, г
K = 2(Um+ ~UBX_)
1 +
R
' J
при условии R2 = 7?з = R4 = R
для схемы на рис. 1.31, д
R1 = RJl
при условии ft ^ •
Специализированные интегральные усилители мощности. Разч
витие технологий микроэлектроники, повышение надежности работц
интегральных схем и их быстродействия, снижение себестоимости
позволили реализовать на одном кристалле готовые специализирован
ные усилители для различных областей применения. Использование
специализированных интегральных усилителей позволяет значительч
но упростить их схемы и повысить надежность работы.
Основные функции интегральных специализированных усилщ
телей мощности:
• усиление сигнала от стандартного входного до уровня, необч
ходимого для работы конкретного исполнительного устройства ияц
нагрузки;
• простота регулирования требуемых параметров;
• защита выхода от перегрузки или короткого замыкания;
• защита от неправильного включения;
• защита от превышения напряжения питания;
• защита от перегрева;
• диагностика наличия и характера нагрузки;
• ограничение бросков тока при включении и выключение
питания.
к = (иш+-иа.)-^-
А ,
1\ j + А3
R,
56
Глава I. Элементы автоматики сварочных установок
Сегодня многими фирмами как в России, так и за рубежом вы¬
пускаются тысячи наименований специализированных усилителей,
номенклатура которых постоянно расширяется. В сварочном обору¬
довании используют интегральные усилители мощности для управ¬
ления двигателями постоянного и переменного тока, шаговыми дви¬
гателями, клапанами, исполнительными реле.
1.5. Исполнительные устройства
Исполнительные устройства, предназначенные для преобразо¬
вания усиленных регулирующих сигналов в поступательное или
вращательное движение, называют сервоприводами. В зависимости
от используемой энергии сервоприводы подразделяют на электри¬
ческие, гидравлические и пневматические. Чаще всего применяют
электрические исполнительные механизмы благодаря малым габа¬
ритам и простоте управления.
1.5.1. Электрические серводвигатели постоянного тока
Электродвигатели постоянного тока часто используют в ка¬
честве базовых при построении самых различных сервоприводов
в сварочном оборудовании. Работа двигателей постоянного тока
основана на взаимодействии магнитного поля, наводимого непод¬
вижным статором, с магнитным полем вращающегося ротора, часто
называемого якорем. Двигатели постоянного тока бывают коллек¬
торными, вентильными и шаговыми в зависимости от того, какое
из магнитных полей является постоянным.
Коллекторные двигатели. Конструктивно статор коллектор¬
ного двигателя представляет собой корпус цилиндрической формы
с закрепленными на нем полюсами. Эти полюсы для улучшения фор¬
мы создаваемого магнитного поля заканчиваются полюсными нако¬
нечниками. Полюсы статора охватывает обмотка статора. Обмотка
ротора состоит из отдельных секций, концы которых подсоединены
к изолированным друг от друга медным пластинам коллектора. На¬
пряжение постоянного тока подается на секции обмотки ротора че¬
рез коллектор, к которому прижимаются щетки, что позволяет под¬
ключать определенные секции якоря для получения максимального
вращающего момента. В результате взаимодействия магнитного по¬
тока статора с током ротора возникает момент, заставляющий ро¬
тор вращаться с соответствующей частотой. Ток в обмотке статора
1.5. Исполнительные устройства
51
называют также током возбуждения. Часто магнитный поток статора
создается не электрическими, а постоянными магнитами. Тогда вра¬
щающий момент определяется только напряжением обмотки ротора.
При установившемся режиме работы электродвигателя почти вся
подводимая к нему электрическая энергия, за исключением потерь
на трение, превращается в механическую работу. Для уменьшения
инерционности регулируемых коллекторных двигателей, использу¬
емых в схемах автоматизации, применяют якорь уменьшенного диа¬
метра при увеличении его длины, что ведет к снижению механиче¬
ского момента инерции.
Направление вращения ротора зависит от направления тока в об¬
мотках статора и ротора, для реверса двигателя достаточно изменить
полярность одной из обмоток. Поскольку одновременное изменение
полярности в обеих обмотках не приводит к изменению направле¬
ния вращения, коллекторные двигатели могут работать и на пере¬
менном напряжении (кроме двигателей, у которых магнитное поле
статора формируется постоянными магнитами). Частотой вращения
вала коллекторного двигателя можно управлять либо изменением
тока обмотки возбуждения при неизменном напряжении на якоре,
либо изменением напряжения на якоре при неизменном токе об¬
мотки возбуждения, либо тем и другим одновременно. Для управ¬
ления частотой вращения обычно используют балластные резисто¬
ры, включаемые последовательно с якорем. В современных блоках
управления коллекторными двигателями обмотку ротора подключа¬
ют к ШИМ-контроллеру1, позволяющему регулировать ток в якоре
в широких пределах и с высоким КПД.
Преимущества коллекторных двигателей:
• большой вращающий момент, развиваемый при сравнительно
небольших габаритах;
• широкий диапазон регулирования частоты вращения;
• большой вращающий момент при пуске;
• высокий КПД (до 90%).
К недостаткам можно отнести:
• износ коллектора, обусловленный механическим трением
и эрозией под напряжением;
• необходимость ухода и наблюдения за коллектором и щетками
во время эксплуатации такого электродвигателя;
• низкий ресурс;
1 ШИМ - широтно-импульсная модуляция.
58
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок
• излучение электромагнитных помех, обусловленное искрени¬
ем между щетками и коллектором;
• сравнительно большая масса и инерционность якоря, что ве¬
дет к снижению быстродействия такого электродвигателя.
Вентильные двигатели. Принцип действия вентильных дви¬
гателей основан на взаимодействии магнитного поля постоянных
магнитов ротора и переменного поля обмоток статора, которое пе¬
реключается электронным коммутатором. Электронный коммута¬
тор по сигналам ЭДС вращения фаз, по датчику магнитного поля
(на основе эффекта Холла) или по датчику углового положения (фо¬
тоэлектрическому, индуктивному) вычисляет текущее положение
ротора, частоту вращения и осуществляет коммутацию токов в об¬
мотках для получения максимального момента, КПД и заданной
скорости вращения. Коммутатор также ограничивает ток обмоток
при пуске, обеспечивает электронный реверс и электронное тормо¬
жение ротора с последующим удержанием в заданной позиции без
перегрева двигателя, измеряет частоту и устанавливает факт вра¬
щения двигателя.
Двигатель представляет синхронную машину с ротором-магни¬
том, который содержит магнитопровод с закрепленными на нем че¬
редующимися полюсами из феррита бария. В пазах статора укла¬
дывают трехфазную однослойную обмотку. Поскольку двигатель
не содержит щеток и других скользящих электрических контактов,
это обеспечивает его высокую надежность при эксплуатации в усло¬
виях повышенных температур, вибрации, запыленности.
Вентильный двигатель с электронными системами управления
объединяют в себе лучшие качества бесконтактных и коллекторных
двигателей.
Его основные преимущества:
• высокие быстродействие и динамика, точность позициони¬
рования;
• широкий диапазон изменения частоты вращения;
• бесконтактность и отсутствие узлов, требующих техобслужи¬
вания;
• возможность использования во взрывоопасной и в агрессив¬
ной средах;
• большая перегрузочная способность по моменту;
• высокие энергетические показатели (КПД более 90%);
• большой срок службы, высокая надежность и повышенный
ресурс благодаря отсутствию скользящих электрических контактов;
1.5. Исполнительные устройства
59
• незначительный перегрев электродвигателя при работе на ре¬
жимах с возможными перегрузками.
Недостатки вентильного двигателя с электронными системами
управления:
• относительно сложная система управления;
• высокая стоимость, обусловленная использованием дорого¬
стоящих постоянных магнитов в конструкции ротора.
Шаговые двигатели. Шаговый двигатель - это электромехани¬
ческое устройство, которое преобразует электрические импульсы
в дискретное механическое вращение. Шаговые двигатели обладают
некоторыми уникальными свойствами, что делает их исключительно
удобными для применения и даже незаменимыми. Эти двигатели от¬
носят к классу бесколлекторных двигателей постоянного тока. Как
и любой бесколлекторный двигатель, они имеют высокую надеж¬
ность и большой срок службы, что позволяет использовать их в сва¬
рочном оборудовании. По сравнению с обычными двигателями посто¬
янного тока шаговые двигатели требуют значительно более сложных
схем управления, которые должны выполнять все коммутации обмо¬
ток при работе двигателя. Кроме того, сам шаговый двигатель - до¬
рогостоящее устройство, поэтому там, где точное позиционирование
не требуется, применяют обычные коллекторные двигатели.
Одним из основных преимуществ шаговых двигателей является
возможность осуществлять точное позиционирование и регулиро¬
вание частоты вращения без датчика положения ротора. Это очень
важно, поскольку такие датчики могут стоить намного больше са¬
мого двигателя и значительно снижают его надежность. Однако это
подходит только для систем, которые работают при малом ускоре¬
нии и с относительно постоянной нагрузкой. В то же время вентиль¬
ные двигатели способны работать с большими ускорениями и при
переменном характере нагрузки. Если нагрузка шагового двигателя
превысит его момент, то информация о положении ротора теряется
и система требует базирования с помощью концевого выключателя
или другого датчика. Если требуется прецизионное позиционирова¬
ние и точное управление частотой вращения, а требуемый момент
и частота вращения не выходят за допустимые пределы, то шаговый
двигатель является наиболее экономичным решением.
В шаговом двигателе вращающий момент создается магнитными
потоками статора и ротора, которые соответствующим образом ори¬
ентированы один относительно другого. Статор изготовлен из ма¬
териала с высокой магнитной проницаемостью и имеет несколько
60
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок
полюсов. Полюс можно определить как некоторую область намаг¬
ниченного тела, где сконцентрировано магнитное поле. Полюсы
имеют и статор, и ротор. Для уменьшения потерь на вихревые токи
магнитопроводы собраны из отдельных пластин, подобно сердеч¬
нику трансформатора. Вращающий момент пропорционален напря¬
женности магнитного поля, которая пропорциональна току в обмот¬
ке и числу витков. Таким образом, момент зависит от параметров
обмоток. Если хотя бы в одной обмотке шагового двигателя течет
ток, ротор принимает определенное положение и будет находиться
в этом положении до тех пор, пока внешний приложенный момент
не превысит некоторого значения, называемого моментом удержа¬
ния. При включении другой обмотки этого ротор повернется и будет
стремиться принять одно из положений равновесия.
Существуют шаговые двигатели трех основных типов:
1) с переменным магнитным сопротивлением;
2) с постоянными магнитами;
3) гибридные.
Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлени¬
ем имеют несколько полюсов на статоре и ротор зубчатой формы
из магнитомягкого материала (рис. 1.32). Намагниченность ротора
отсутствует. Для простоты на рисунке ротор имеет четыре зубца,
а статор имеет шесть полюсов. Двигатель имеет три независимые
обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных по¬
люсах статора. Такой двигатель имеет шаг 30°. При включении тока
в одной из катушек ротор стремится занять положение, при котором
магнитный поток замкнут, т. е. зубцы ротора будут находиться на¬
против тех полюсов, на которых расположена включенная обмотка.
Если затем выключить эту обмотку и включить следующую, то ро¬
тор изменит положение, снова замкнув своими зубцами магнитный
поток. Таким образом, чтобы осуществить непрерывное вращение,
Рис. 1.32. Шаговый двигатель с пере¬
менным магнитным сопротивлением:
1-3 - обмотки
У. 5. Исполнительные устройства
61
Рис. 1.33. Шаговый двигатель с
янными магнитами:
У, 2-обмотки
необходимо включать фазы попеременно. Двигатель нечувствителен
к направлению тока в обмотках. Реальный двигатель может иметь
большее число полюсов статора и зубцов ротора, что соответствует
большему количеству шагов на оборот. Иногда поверхность каждого
полюса статора выполняют зубчатой, что вместе с соответствующи¬
ми зубцами ротора обеспечивает очень маленькое значение шага,
порядка нескольких градусов. Двигатели с переменным магнитным
сопротивлением довольно редко используют в промышленности.
Шаговые двигатели с постоянными магнитами состоят из стато¬
ра, который имеет обмотки, и ротора, содержащего постоянные маг¬
ниты (рис. 1.33). Чередующиеся полюсы ротора имеют прямолиней¬
ную форму и расположены параллельно оси двигателя. Благодаря
намагниченности ротора в таких двигателях обеспечивается боль¬
ший магнитный поток и, как следствие, больший момент, чем у дви¬
гателей с переменным магнитным сопротивлением. Показанный
на рисунке двигатель имеет три пары полюсов ротора и две пары
полюсов статора. Двигатель имеет две независимые обмотки, каж¬
дая из которых намотана на двух противоположных полюсах ста¬
тора. Такой двигатель, как и рассмотренный двигатель с перемен¬
ным магнитным сопротивлением, имеет шаг 30°. При включении
тока в одной из катушек ротор стремится занять такое положение,
при котором разноименные полюсы ротора и статора находятся друг
напротив друга. Для осуществления непрерывного вращения фазы
следует включать попеременно. На практике двигатели с постоян¬
ными магнитами обычно имеют 200 шагов на оборот (шаг 1,8°).
Основные преимущества шаговых двигателей:
• зависимость угла поворота ротора от числа импульсов, кото¬
рые поданы на двигатель;
• обеспечение полного момента в режиме остановов (если
по обмоткам течет ток);
62
Глава I. Элементы автоматики сварочных установок
• прецизионное позиционирование и повторяемость (ошибка
не накапливается от шага к шагу);
• возможность быстрого пуска, останова и реверсирования;
• высокая надежность, связанная с отсутствием щеток, и большой
срок службы, фактически определяется сроком службы подшипников;
• позиционирование без обратной связи, которое обеспечива¬
ется однозначной зависимостью положения от входных импульсов;
• возможность получения очень низких частот вращения для
нагрузки, присоединенной непосредственно к валу двигателя без
промежуточного редуктора;
• широкий диапазон частот вращения, при этом частота враще¬
ния пропорциональна частоте входных импульсов.
Недостатки шаговых двигателей:
• явление резонанса;
• вероятность потери контроля положения вследствие работы
без обратной связи;
• высокое потребление энергии, которое не уменьшается даже
при работе без нагрузки;
• значительное снижение вращающего момента на высоких
скоростях;
• невысокая удельная мощность;
• относительно сложная схема управления.
1.5.2. Электрические серводвигатели переменного тока
Серводвигатели переменного тока строятся на асинхронных
двигателях. Асинхронный электродвигатель - это электрическая
асинхронная машина для преобразования электрической энергии
в механическую. Принцип работы асинхронного электродвигателя
основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля, воз¬
никающего при прохождении трехфазного переменного тока по об¬
моткам статора, с током, индуцированным полем статора в обмотках
ротора. В результате этого возникает момент, заставляющий ротор
вращаться в сторону вращения магнитного поля при условии, что
частота вращения ротора меньше частоты вращения поля.
В зависимости от числа фаз питающего переменного напряже¬
ния различают одно-, двух- и трехфазные электродвигатели пере¬
менного тока.
Однофазные электродвигатели переменного тока имеют неболь¬
шую мощность и используются главным образом в нерегулируемых
приводах, например в вентиляторах.
1.5. Исполнительные устройства
63
Двухфазные электродвигатели переменного тока характеризу¬
ются сравнительной простотой регулирования как частоты враще¬
ния, так и развиваемого вращающего момента. Это обусловило их
широкое применение для целей автоматизации.
Трехфазные электродвигатели переменного тока развивают вы¬
сокую мощность, достигающую нескольких десятков киловатт. Они
находят применение в нерегулируемых приводах станков, компрес¬
соров, насосов и т. п.
Основные преимущества асинхронных двигателей по сравне¬
нию с двигателями постоянного тока:
• малые потери на трение;
• отсутствие электромагнитных помех, создаваемых искрением;
• высокая надежность.
Основные недостатки:
• более высокие масса и габаритные размеры при одних и тех же
развиваемых мощности и вращающих моментах;
• более низкий КПД;
• малый пусковой момент и низкое быстродействие.
Стандартные асинхронные двигатели получили развитие в по¬
следние 10 лет благодаря применению частотных регуляторов -
электронных устройств, позволяющих управлять частотой враще¬
ния двигателя и напряженностью магнитного поля. Это позволяет
изменять частоту вращения двигателя в 100 раз и управлять момен¬
том на валу двигателя.
Дальнейшее развитие систем управления асинхронными двига¬
телями привело к созданию сервоприводов переменного тока, со¬
держащих асинхронный двухфазный двигатель, датчик положения
вала и микропроцессорную систему управления обмотками стато¬
ра. Такая комбинация позволяет строить сервоприводы с точностью
поворота вала двигателя 1/100 000 оборота, регулированием часто¬
ты вращения в 10 000 раз, изменением момента на валу в 1 000 раз.
Мощность сервоприводов может составлять от 33 Вт до несколь¬
ких киловатт. Их широко используют для станков с ЧПУ, автоматов
плазменной и лазерной резки, в сварочных машинах.
1.5.3. Пневматические двигатели
Пневматический двигатель - это энергосиловая машина, преоб¬
разующая энергию сжатого воздуха в механическую работу. По прин¬
ципу действия обычно различают объемные и турбинные пневмати¬
ческие двигатели. В объемных пневмодвигателях работа совершается
64
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок
в результате расширения сжатого воздуха в цилиндрах поршневой ма¬
шины, в турбинных - в результате воздействия потока воздуха на ло¬
патки турбины (в первом случае используется потенциальная энергия
сжатого воздуха, во втором - кинетическая). Наибольшее распро¬
странение получили объемные пневмодвигатели (поршневые и ро¬
тационные). Пневмодвигатели могут быть вращательного или посту¬
пательного действия и называются соответственно пневмомоторами
и пневмоцилиндрами.
Пневмомоторы. Пневмомоторы применяются для привода раз¬
личных инструментов (дрелей, гайковертов, отбойных молотков,
шлифовальных головок), обеспечивая безопасность работы во взры¬
воопасных местах (со скоплением газа, угольной пыли), в среде с по¬
вышенным содержанием влаги.
На рис. 1.34 показана схема радиально-поршневого мотора
с передачей крутящего момента на вал через кривошипно-шатун¬
ный механизм. В корпусе 1 симметрично расположены цилиндры 2
с поршнями 3. Усилие от поршней передается на коленчатый вал 5
через шатуны 4, шарнирно прикрепленные к поршням и кривоши¬
пу коленчатого вала. Сжатый воздух подводится к рабочим камерам
по каналам <?, которые поочередно сообщаются с впускным (Вход)
и выхлопным (Выход) каналами распределительного золотника 6,
вращающегося синхронно с валом мотора. Золотник размещен
в корпусе распределительного устройства 7, к которому подведены
магистрали впуска и выпуска воздуха.
8
А
Рис. 1.34. Радиально-поршневой мотор
1.5. Исполнительные устройства
65
Рис. 1.35. Турбинный пневмомотор
Радиально-поршневые пневмомоторы являются относительно
тихоходными машинами с частотой вращения вала до 1 500 мин-1.
Более быстроходны шестеренные и пластинчатые моторы
(2 000...4 000 мин-1), но самыми быстроходными (до 20 000 мин-1
и более) могут быть турбинные пневмомоторы, в которых исполь¬
зуется кинетическая энергия потока сжатого воздуха. На рис. 1.35
показана схема пневмопривода колеса вентилятора. К ступице /,
жестко прикреплен вращающийся обод с лопатками пневмомото¬
ра 2. Поток сжатого воздуха, вытекающий из сопла 4 по касательной
к изогнутым лопаткам 2, отдает свою энергию и заставляет вращать¬
ся колесо вентилятора с большой скоростью. Ограничитель 3 не по¬
зволяет потоку газа выходить за пределы лопаток.
Пневмоцилиндры. Типовые пневмоцилиндры общепромыш¬
ленного назначения имеют скорость перемещения поршня в диапа¬
зоне от 1 до 10 м/с, диаметр цилиндра изменяется от 0,01 до 0,3 м,
ход поршня - от нескольких миллиметров до 3 м, а ресурс может
достигать 10 млн ходов поршня. Питание таких рабочих пневмо¬
цилиндров обычно осуществляется от заводской пневмосети через
фильтры и редукторы.
Пневмоцилиндры отличаются большим разнообразием ориги¬
нальных исполнительных устройств с эластичными элементами
в форме мембран, оболочек, гибких нитей, рукавов и т. п. Их ши¬
роко используют в зажимных, фиксирующих, переключающих
и тормозных механизмах современных автоматизированных про¬
изводств. К ним относят мембранные и сильфонные пневмоцилин¬
дры с относительно малым рабочим ходом штока. Плоская резино¬
вая мембрана позволяет получить перемещение штока на 0,1...0,5
ее эффективного диаметра (рис. 1.36). При выполнении мембраны
в форме гофрированного чулка рабочий ход увеличивается до не¬
скольких диаметров мембраны. Такие пневмоцилиндры называют
66
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок
Рис. 1.36. Мембранный пневмо¬
цилиндр
W
>
лл
*
Рис. 1.37. Сильфонный пневмо¬
цилиндр
сильфонными (рис. 1.37). Они могут быть с внешним и внутренним
подводом воздуха. В первом случае длина гофрированной трубки
под действием давления уменьшается, а во втором увеличивается
за счет деформации гофров. В качестве эластичного элемента при¬
меняют резину, резинотканевые и синтетические материалы, а так¬
же тонколистовую сталь, бронзу, латунь.
1.5.4. Гидравлические двигатели
Гидравлические двигатели осуществляют превращение энергии
рабочей жидкости, находящейся под давлением, в поступательное
либо вращательное движение подвижного рабочего органа. В ка¬
честве рабочей среды в гидравлических серводвигателях исполь¬
зуют жидкости с хорошей смазывающей способностью, такие как
минеральное масло, спиртоглицериновая смесь, а также специаль¬
ные синтетические жидкости. В рабочую жидкость добавляют раз¬
личные антикоррозионные, антиокислительные, антифрикционные
присадки, уменьшающие износ двигателя и повышающие его КПД.
Давление рабочей жидкости в современных гидродвигателях со¬
ставляет 3...5 МПа. Скорость течения рабочей жидкости в гидравли¬
ческих трубопроводах достигает 5 м/с.
Гидравлические серводвигатели могут обеспечивать поступа¬
тельное и вращательное движение рабочего органа. При поступатель¬
ном движении используются различные типоразмеры и конструкции
рабочих цилиндров и поршней как двухстороннего (рис. 1.38), так и
одностороннего действия (рис. 1.39 и 1.40). В первом случае рабо¬
чая жидкость подается в полости, расположенные по обе стороны
поршня. Во втором случае рабочая жидкость поступает в полость,
1.5. Исполнительные устройства
67
It
It
77. щ
Рис. 1.38. Гидроцилиндр Рис. 1.39. Гидроцилиндр односторонне¬
двустороннего действия го действия
«--■-МШРГ
Рис. 1.40. Телескопический гидроцилиндр
расположенную с одной
стороны поршня, а воз¬
врат этого поршня в ис¬
ходное положение после
снятия давления рабочей
жидкости осуществляет¬
ся специальной пружиной
или под действием веса.
Для обеспечения вращательного движения можно поршень жест¬
ко закрепить на оси, которая совершает вращательное движение
(рис. 1.41) или использовать пластинчатый гидромотор (рис. 1.42).
Для регулирования скорости гидравлических двигателей использу¬
ют два метода: объемное регулирование и дросселирование. При объ¬
емном регулировании расход рабочей жидкости, определяющий ско¬
рость гидравлического серводвигателя, изменяют путем варьирования
рабочего объема регулируемой гидромашины. При дроссельном регу¬
лировании изменяют гидравлическое сопротивление путем изменения
Рис. 1.41. Гидропривод
поворотного действия Рис. 1.42. Гидромотор
68
Глава I. Элементы автоматики сварочных установок
проходного сечения (дросселирования) регулирующих устройств.
Дроссельное регулирование характеризуется более высоким быстро¬
действием по сравнению с объемным, но из-за присущих этому методу
регулирования значительных потерь его применяют, в основном, в ги¬
дравлических серводвигателях малой мощности (до 5 кВт).
Гидравлические двигатели широко используют в сварочной
технике для перемещения или крепления тяжелых изделий и заго¬
товок, так как они имеют значительно меньшую массу, приходя¬
щуюся на единицу выходной мощности, по сравнению с любыми
другими двигателями. Инерционные свойства гидравлических дви¬
гателей незначительны вследствие малой сжимаемости жидкости,
и ухудшаются они только при наличии длинных или узких трубо¬
проводов, а также в случае применения вязкой рабочей жидкости.
Скорость на выходе гидродвигателей обычно невелика, поэтому они
могут работать в качестве исполнительных устройств без редукто¬
ров. Недостатком гидродвигателей является низкая надежность тру¬
бопроводов и особенно их соединений в условиях вибрации, ударов
и других разрушающих воздействий, приводящих к утечкам рабо¬
чей жидкости. Кроме того, гидродвигатель подвержен влиянию тем¬
пературы окружающей среды, следствием чего может быть измене¬
ние вязкости жидкости или ее замерзание.
1.6. Устройства управления
Задача устройства управления - вырабатывать по сигналам
от датчиков требуемое управляющее воздействие для подачи на ис¬
полнительный орган в целях получения требуемого закона измене¬
ния параметров объекта регулирования и реализации замкнутой си¬
стемы автоматического управления. Устройства управления могут
быть аналоговыми или цифровыми в зависимости от типа сигналов,
которые используются для вычислений.
1.6.1. Аналоговые устройства управления
Аналоговые устройства управления, как правило, реализованы
на основе линейных преобразований электрических сигналов. Ли¬
нейный элемент любой сложности может быть сведен к одному
из типовых звеньев или их комбинации либо, наоборот, комбинация
из нескольких конструктивных элементов может быть замещена одним
звеном. Представление элементов звеньями основано на идентичности
1.6. Устройства управления
69
линейных дифференциальных уравнений (передаточных функций),
которыми при определенных допущениях описываются процессы
в различных конструктивных элементах. При этом под типовым ли¬
нейным звеном понимают устройство, переходный процесс в котором
описывается обыкновенным дифференциальным уравнением не вы¬
ше второго порядка. Такой подход не только облегчает выявление ди¬
намических свойств отдельных элементов, но и упрощает исследова¬
ние автоматического устройства в целом.
Представление элементов звеньями следует осуществлять с уче¬
том того, что звенья должны обладать направленным действием,
г. е. последующее звено не должно оказывать обратного действия
на предыдущее. Дифференциальные уравнения направленных зве¬
ньев могут составляться вне связи с работой других звеньев. Вы¬
ходной сигнал данного звена определяется входнымым сигналом,
но входной сигнал не зависит от изменений выходного.
Направленное действие можно получить в двух случаях: 1) либо
мощность предшествующего звена должна быть значительно боль¬
ше мощности, потребляемой на входе последующего звена; 2) либо
влияние нагрузки должно быть тем или иным способом скомпен¬
сировано. Следует иметь в виду, что один и тот же элемент может
относиться к различным типовым звеньям в зависимости от того,
какие физические величины приняты за входную и выходную (на¬
пример, входное и выходное напряжение или входное напряжение
и выходной ток). Звенья могут быть реализованы на пассивных
элементах (сопротивлениях, емкостях и катушках индуктивности)
или на активных элементах (как правило, операционных усилите¬
лях) с различными обратными связями. Пассивные звенья приме¬
няют наиболее часто, так как они не требуют для работы источника
питания, просты и очень надежны в работе. Недостатком звеньев,
выполненных на пассивных элементах, является необходимость со¬
гласования их входных и выходных сопротивлений с предыдущими
и последующими каскадами, что чаще всего делает невозможным
использование более одного или двух звеньев. Звенья, выполненные
с применением активных элементов, просто согласуются друг с дру¬
гом, что дает возможность строить сложные системы управления.
Различают следующие линейные типовые звенья: апериодиче¬
ское, колебательное, пропорциональное, интегрирующее, диффе¬
ренцирующее.
Апериодическое звено. Апериодическим называют звено, в ко¬
тором при единичном воздействии на входе выходная величина
70
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок
° С
и*
О-
сф и„
Рис. 1.43. Схема пассивного
апериодического звена
R2
Рис. 1.44. Схема активного
апериодического звена
апериодически (по закону экспоненты) стремится к новому устано¬
вившемуся значению. Апериодическое звено иногда называют инер¬
ционным. Схема реализации пассивного апериодического звена при¬
ведена на рис. 1.43, активного звена - на рис. 1.44. Вид выходного
сигнала при единичном входном воздействии показан на рис. 1.45.
Выходной сигнал связан с входным дифференциальным уравне¬
нием
TdUвы* +и =ки .
dt ВЬ1Х вх
Для ступенчатого входного воздействия вид выходного сигнала
описывается выражением
U^{t) = kUn(\-eT).
Для пассивного звена (см. рис. 1.43)
k= 1, T=RC,
для активного звена (см. рис. 1.44)
, «2
Рис. 1.45. Выходной сигнал апериодического звена
1.6. Устройства у правд ен ия
71
Колебательное звено. Колебательным называют звено, в кото¬
ром при единичном воздействии на входе выходная величина стре¬
мится к новому установившемуся значению, совершая относитель¬
но него затухающие колебания. Схема реализации колебательного
звена на пассивных элементах дана на рис. 1.46, с использованием
операционного усилителя - на рис. 1.47.
Вид переходного процесса от ступенчатого воздействия опи¬
сывается разными уравнениями в зависимости от соотношения Т]
и Тг При > Т2 переходный процесс не имеет колебаний (рис. 1.48)
и описывается выражением
U (t) = kU
вых V / I
/
1-
V
_ZL_
Ъ-ТА
е
h
+
т
1 4
Т -Т
i3 м
е
L \
тА
J
где Тъ = +
-- т;2; r3=Z—jZ— т22.
2 V 2 3 2 V 2 2
При Т < Т2 переходный процесс имеет колебания (см. рис. 1.48)
и описывается выражением
ишЛ‘) = кик
Л
\-е т
cos— ■=—/ н—=^=sin— —
№
где Т= Т29 £ = ——, причем 0 < £ < 1, так как при £ > 1 звено стано-
27:
вится апериодическим (второго порядка).
Для пассивного звена (см. рис. 1.46) 7] = RC, Т2 = ^ftC, к - 1.
Рис. 1.46. Схема пассивного
колебательного звена
Рис. 1.47. Схема активного
колебательного звена
72
Глава /. Элементы автоматики сварочных установок
Рис. 1.48. Выходной сигнал колебательного звена
Для активного звена (см. рис. 1.47)
R2
k~~jT ' Т{-С2
/V,
(
R2 + R3 +
V
R2R3
R,
; T2 — yJC]C2R2R3.
Пропорциональное звено. Пропорциональным называют зве¬
но, в котором в любой момент времени выходная величина пропор¬
циональна входной. Иногда пропорциональное звено называют бе¬
зынерционным или усилительным. Для пропорционального звена
амплитуда входного сигнала на всех частотах усиливается одинако¬
во без фазового сдвига:
U = Ш .
вых вх
Примерами пропорционального звена могут служить электри¬
ческие схемы, состоящие из одних активных сопротивлений, или
усилители. При этом всегда следует помнить, что всякий реальный
элемент в той или иной степени инерционен. В связи с этим замеще¬
ние элемента пропорциональным звеном выполняют при сравнении
его с другими элементами данной системы, когда его инерционно¬
стью можно пренебречь по сравнению с инерционностью других
элементов.
Интегрирующее звено. Интегрирующим называют звено, в кото¬
ром выходной сигнал пропорционален интегралу по времени от вход¬
ного, т.е. скорость изменения выходного сигнала пропорциональна
1.6. Устройства управления
73
Рис. 1.49. Схема интегрирующего Рис. 1.50. Выходной сигнал
звена интегрирующего звена
входному сигналу. Схема реализации идеального интегрирующего
звена приведена на рис. 1.49.
Выходной сигнал связан с входным дифференциальным
уравнением
um=kjundt.
Для ступенчатого входного воздействия выходной сигнал
(рис. 1.50) и описывается выражением
um{t) = ktua.
Для схемы на рис. 1.49 А: = RC.
Дифференцирующее звено. Дифференцирующим называют
звено, в котором выходной сигнал пропорционален производной
по времени от входного, т. е. скорости изменения входного сигнала.
Передаточная функция идеального дифференцирующего звена
W (р) = кр.
Практически реализовать подобное звено не удается, так как пе¬
реходная функция должна представлять собой мгновенный бес¬
конечно узкий импульс бесконечно большой амплитуды. Рас¬
пространенным примером реального дифференцирующего звена
является простейший фильтр высоких частот на пассивных элемен¬
тах (рис. 1.51) и на операционном усилителе (рис. 1.52).
Выходной сигнал связан с входным дифференциальным
уравнением
74
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок
R2
о
II ^
41—1
р
с „ R1
нН=Н
R
^ВЫХ
I
о
]
^ и
'-'вых
JL
_L
Рис. 1.51. Схема пассивного диф¬
ференцирующего звена
Рис. 1.52. Схема активного диф¬
ференцирующего звена
Для ступенчатого входного воздействия выходной сигнал (рис. 1.53)
и описывается выражением
Ш
и (0 = —-е
ВЫХ V / т
t
Т
Для схемы на (рис. 1.51)/;= 1, Т - RC.
Для схемы на (рис. 1.52) к- —-, Т= R}C.
R\
Основные преимущества аналоговых регуляторов: высокое бы¬
стродействие, работа в реальном масштабе времени, возможность
непосредственного сопряжения с измерительными и исполнитель¬
ными устройствами, относительная простота, высокая экономиче¬
ская эффективность. Недостатки: невысокие точность и помехо¬
устойчивость, неудобство и ограниченные возможности изменения
параметров, невозможность реализации сложных алгоритмов, зави¬
симость параметров от температуры и старения элементов.
Рис. 1.53. Выходной сигнал дифференцирующего звена
1.6. Устройства управления
75
1.6.2. Цифровые устройства управления
В последнее десятилетие получили развитие цифровые систе¬
мы управления, что связано с повышением вычислительных мощ¬
ностей и снижением цен на микропроцессоры и микроконтроллеры.
При использовании цифровой вычислительной техники в САУ необ¬
ходимо преобразовать аналоговые сигналы от датчиков в цифровую
форму при вводе их в цифровую вычислительную машину (ЦВМ)
и цифровые сигналы в аналоговый вид при их выводе на исполни¬
тельные устройства. Для этого используют соответственно анало¬
го-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи.
Функциональная схема типовой цифровой системы управления да¬
на на рис. 1.54. Применение аналогового коммутатора сигналов пе¬
ред АЦП позволяет вводить несколько сигналов одновременно, что
дает возможность стоить сложные системы управления.
Вход 1
2
3
4
5
6
7
Вход 8
Выход
Рис. 1.54. Функциональная схема типовой цифровой системы управления
Основу работы цифровых систем составляет замена плавно из¬
меняющихся аналоговых сигналов дискретными отсчетами путем
квантования сигнала по времени и амплитуде (рис. 1.55, а). Кванто¬
вание по времени проводят на основании теоремы Котельникова. Со¬
гласно этой теореме, непрерывный сигнал, спектр которого ограничен
в
Рис. 1.55. Квантование аналогового сигнала по времени и амплитуде (а),
по времени (б) и по амплитуде (в)
76
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок
частотой F , можно представить в виде его отдельных значений х(г),
взятых через промежутки времени At < 1/(2Fmax) (рис. 1.55, б). Время
квантования, как правило, является временем выполнения цикла вы¬
числений в САУ, а сама система управления становится импульсной,
т. е. управление происходит не постоянно, а через некоторые интрвалы.
При анализе управляющих систем квантование по времени при¬
водит к необходимости применения дискретного преобразования
Лапласа, используемого для импульсных систем. Частота квантова¬
ния может быть от 1 Гц до 1 ГГц.
Квантование по амплитуде заключается в том, что весь диапазон
возможных значений непрерывного сигнала разбивается на 2N уров¬
ня (N - число разрядов АЦП). В качестве значения сигнала в кон¬
кретный момент времени берется не истинное его значение, а но¬
мер ближайшего уровня в виде цифрового кода (рис. 1.55, в), при
этом ошибка квантования по амплитуде не превышает половины
шага квантования. Число N влияет на разрешение системы по уров¬
ню и может быть от 8 до 24, что соответствует числу возможных
уровней от 256 до 16 • 106. Квантование по амплитуде является не¬
линейной операцией, приводящей к необходимости рассмотрения
цифровых систем в качестве нелинейных, поэтому согласно теории
регулирования цифровые САУ являются нелинейными импульсны¬
ми системами. Однако в большинстве случаев частоты квантования
намного превышают максимальную частоту сигнала, а шаг уров¬
ней квантования намного меньше минимально возможного сигнала.
В этом случае цифровые системы управления приближенно можно
рассматривать как линейные непрерывные системы.
Алгоритмы цифровой обработки сигналов. После квантова¬
ния по времени и амплитуде аналоговый сигнал представляет собой
наиболее близкое цифровое значение, изменяющееся через период
измерения АЦП. Все дальнейшие преобразования происходят с эти¬
ми значениями в цифровом виде. Алгоритмы обработки сигналов
могут быть самыми разнообразными: сложение, вычитание, умно¬
жение, деление, низко- или высокочастотная фильтрация, преоб¬
разование Фурье, корреляция, регрессии, нейросетевые алгоритмы
и др. Цифровые алгоритмы обработки информации по сравнению
с аналоговыми обладают следующими преимуществами: независи¬
мость работы от внешних факторов, простота перестройки параме¬
тров и коэффициентов, возможность реализации сложных многокон¬
турных законов управления, возможность применения стандартных
аппаратных средств для различных законов управления.
1.6. Устройства управления
11
Цифровой ПИД-регулятор, содержащий пропорцио¬
нальную, интегральную и дифференциальную компоненты, являет¬
ся одним из самых распространенных алгоритмов цифровых САУ.
В аналоговом виде (рис. 1.56) управляющее воздействие U(t), выра¬
батываемое регулятором, описывается выражением
U(t) = U0+K
е(0 + ^г/е(т) dx + Tj
de(t)
dt
где U0 - начальное значение управляющего воздействия; К - коэф¬
фициент усиления регулятора; е(/) = Y(t)-X(t) - ошибка управления,
равная разности между требуемым значением выходной величины
и ее реальным значением; Т. - постоянная времени интегрирования;
Td- постоянная времени дифференцирования.
В цифровом виде, для дискретных сигналов ПИД-регулятор
описывается следующим выражением:
и,=и0 + К
е,+/,+^(е'
где U. - выходное значение регулятора на /-м шаге регулирования;
UQ - начальное значение регулируемой величины; еп е{_х - ошибка
т
регулирования на /-м и (/ — 1 )-м шаге соответственно; li - + —е{;
/ - значение интегральной части на i-м шаге регулирования; т - вре¬
мя работы одного шага регулятора.
Как видно из равенства, для вычисления управляющего воз¬
действия необходимо помнить только текущую ошибку и ошибку
на предыдущем шаге, что очень упрощает применение алгоритма
цифрового ПИД-регулятора.
Для правильной работы ПИД-регулятора необходимо опреде¬
лить оптимальные коэффициенты, при которых минимальны время
Рис. 1.56. Функциональная схема ПИД-регулятора
78
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок
Рис. 1.57. Переходный процесс
разомкнутой системы
переходного процесса или значение перерегулирования. Существу¬
ет много различных алгоритмов определения оптимальных пара¬
метров цифрового ПИД-регулятора. Наиболее простыми являются
эмпирические алгоритмы, которые позволяют быстро настроить ре¬
гулятор для неизвестного объекта управления.
Для определения возможности настройки параметров опти¬
мального ПИД-регулятора необходимо проанализировать вид пере¬
ходного процесса разомкнутой системы при ступенчатом входном
воздействии (рис. 1.57). Период квантования по времени следует вы¬
брать от 1 /20 до 1 /10 от постоянной времени Т. Замкнутая система
с ПИД-регулятором может быть устойчивой при условии, что вы¬
полняется условие tJT< 0,5, где t3 - время задержки. В этом случае
можно определить оптимальные параметры ПИД-регулятора одним
из методов, рассмотренных ранее.
Метод автоколебаний позволяет настроить параметры
ПИД-регулятора неизвестной системы за три шага:
1) установить постоянную времени интегрирования максималь¬
но большой, а постоянную времени дифференцирования равной
нулю. Увеличивать коэффициент усиления регулятора до начала
возникновения в системе автоколебаний. Граничное значение коэф¬
фициента усиления разделить на 2;
2) уменьшать постоянную времени интегрирования до возникно¬
вения в системе автоколебаний. Граничное значение умножить на 2;
3) увеличивать постоянную времени дифференцирования
до возникновения в системе автоколебаний. Граничное значение
разделить на 2.
Метод двухпозиционного регулирования заклю¬
чается в следующим: установить коэффициент усиления и постоянную
времени интегрирования максимально большими, а постоянную вре¬
мени дифференцирования равной нулю. Такие настройки соответству¬
ют двухпозиционному регулятору. На вход регулятора подать сигнал,
примерно равный половине максимального значения. При этом в си¬
стеме начнутся колебания, а регулятор будет включать исполнительный
У. 6. Устройства управления
79
Рис. 1.58. Настройка параметров ПИД-регулятора методом двухпозици¬
онного регулятора
механизм на максимум, если регулируемая величина меньше заданно¬
го значения, и полностью выключать его, если регулируемая величи¬
на превысила заданное значение. Измерив период Т0 и амплитуду А
(рис. 1.58) колебаний, можно определить параметры ПИД-регулятора.
Коэффициент усиления К-М А.
Постоянная времени интегрирования Т.-АН.
Постоянная времени дифференцирования Td = А / 8.
Цифровые фильтры относятся к наиболее мощным ин¬
струментальным средствам цифровой обработки сигналов. Помимо
очевидных преимуществ устранения ошибок в фильтре, связанных
с изменениями параметров пассивных электронных компонентов
в зависимости от времени и температуры, дрейфом операционного
усилителя (в активных фильтрах) и другими факторами, цифровые
фильтры способны удовлетворять таким техническим требовани¬
ям, которые чрезвычайно трудно или даже невозможно выполнить
в случае аналогового исполнения. Кроме того, характеристики циф¬
рового фильтра могут быть легко изменены программно, поэтому их
широко используют в САУ для фильтрации сигналов и формирова¬
ния управляющих воздействий.
Существует два основных типа цифровых фильтров: с конечной
импульсной характеристикой (КИХ) и с бесконечной импульсной
характеристикой (БИХ). Изменяя значения коэффициентов и число
звеньев КИХ-фильтра, можно реализовать практически любую ча¬
стотную характеристику. КИХ-фильтры могут иметь такие свойства,
80
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок
х(п- 1) x(n-N + 2) jc(/i-W+1)
Рис. 1.59. Структура цифрового КИХ-фильтра низких частот
которые невозможно получить методами аналоговой фильтрации
(в частности, совершенную линейную фазовую характеристику).
Однако при построении высокоэффективных КИХ-фильтров тре¬
буется большое число операций умножения с накоплением, поэто¬
му необходимо использовать быстродействующие и эффективные
процессоры. В то же время БИХ-фильтры имеют тенденцию ими¬
тировать принцип действия традиционных аналоговых фильтров
с обратной связью, так как их импульсная характеристика имеет бес¬
конечную длительность. Благодаря использованию обратной связи
БИХ-фильтры могут быть реализованы с меньшим количеством ко¬
эффициентов, чем КИХ-фильтры.
Обобщенная форма КИХ-фильтра низких частот с числом зве¬
ньев N представлена на рис. 1.59, где z_1 - задержка входного сигнала
на один отсчет; х(п) - входные данные фильтра. Выходной сигнал
определяется уравнением
y(n) = ^h(k)x(n-k).
k=1
Здесь h(k) - массив коэффициентов фильтра. Число N характеризует
эффективность фильтра. КИХ-фильтр с числом звеньев N требует
N циклов (операций) умножения с накоплением.
Обобщенная форма БИХ-фильтра низких частот с числом зве¬
ньев N приведена на рис. 1.60. Выходной сигнал определяется
уравнением
у(п) = Y;Kk)x{n -к)- £а(к)у(п - к),
к=0 к=\
Здесь Ь{к), а(к) - массивы коэффициентов фильтра. Число N,
как и в предыдущем случае, характеризует эффективность фильтра.
1.6. Устройства управления
81
Х(п)
У(п)
Рис. 1.60. Структура цифрового БИХ-фильтра низких частот
БИХ-фильтр с числом звеньев N требует 2N циклов (операций) умно¬
жения с накоплением.
Рассмотренные структуры позволяют реализовать фильтры низ¬
ких частот, одной из областей применения которых является фильтра¬
ция сигналов (рис. 1.61). Для построения фильтров высоких частот
из входного сигнала вычитают сигнал с выхода фильтра низких частот.
Аппаратные средства цифровых устройств управления. Со¬
временные цифровые системы управления строятся на стандартных
модулях, представляющих собой унифицированную систему техни¬
ческих и программных средств. Набор аппаратных средств включа¬
ет блоки ввода аналоговых сигналов, вывода аналоговых сигналов,
ввода дискретных сигналов, вывода дискретных сигналов, а также
таймеры (счетчики), интерфейсы связи, вычислители. Кроме того,
могут использоваться специализированные модули.
Блоки ввода аналоговых сигналов различают по следующим ос¬
новным характеристикам:
• тип входного сигнала (постоянное или переменное напряже¬
ние, ток, сопротивление, наличие термопары);
• диапазон измерения входного сигнала;
Рис. 1.61. Вид сигнала до {а) и после (б) фильтрация фильтром кижних
частот
82
[лава I. Элементы автоматики сварочных установок
• погрешность преобразования аналогового сигнала в цифро¬
вое значение;
• частота преобразования;
• число каналов;
• входное сопротивление;
• наличие общей или поканальной гальванической развязки.
Производят блоки для унифицированных сигналов и универ¬
сальные блоки общего применения.
Блоки вывода аналоговых сигналов различают по следующим ос¬
новным характеристикам:
• тип выходного сигнала (напряжение, ток);
• диапазон изменения выходного сигнала;
• погрешность преобразования цифрового сигнала в аналого¬
вое значение;
• частота преобразования;
• число каналов;
• нагрузочная способность;
• наличие общей или поканальной гальванической развязки.
Блоки ввода дискретных сигналов различают по следующим ос¬
новным характеристикам:
• тип входного сигнала (логический вход уровня TTL, токовый
вход, вход по напряжению);
• уровень логической «1» и логического «О»;
• входное сопротивление;
• частота преобразования;
• число каналов;
• наличие общей или поканальной гальванической развязки.
Блоки вывода дискретных сигналов различают по следующим
основным характеристикам:
• тип выходного сигнала (логический выход уровня TTL, токо¬
вый выход, выход по напряжению, «сухой контакт»);
• выходной уровень логической «1» и логического «О»;
• нагрузочная способность;
• частота преобразования;
• число каналов;
• наличие общей или поканальной гальванической развязки.
Таймеры (счетчики) различают по следующим основным
характеристикам:
• тип входного (выходного) сигнала (логический выход уровня
TTL, токовый выход, выход по напряжению);
1.6. Устройства управления
83
• уровень логической «1» и логического «О»;
• максимальная частота счета импульсов;
• разрядность счетчика импульсов;
• тактовая частота выходного таймера;
• разрядность выходного таймера;
• число каналов;
• наличие общей или поканальной гальванической развязки;
Интерфейсы связи различают по следующим основным
характеристикам:
• тип интерфейса проводного (RS232, RS485, ModBus, ProfiBus,
DeviceNet, ControlNet, CAN, промышленный Ethernet) или беспро¬
водного интерфейса (Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee);
• пропускная способность;
• максимальное расстояние связи.
В качестве вычислителя, как правило, используют программи¬
руемый логический контроллер (ПЛК; англ. Programmable Logic
Controller-PLC). Эти устройства реального времени имеют ряд осо¬
бенностей, отличающих их от прочих электронных вычислительных
приборов, применяемых в промышленности:
• в отличие от микроконтроллера (однокристального компьюте¬
ра) областью применения ПЛК обычно являются автоматизирован¬
ные процессы промышленного производства;
• в отличие от компьютеров, ориентированных на принятие ре¬
шений и управление оператором, ПЛК ориентированы на работу
с машинами через развитый ввод сигналов датчиков и вывод сигна¬
лов на исполнительные механизмы;
• в отличие от встраиваемых систем ПЛК представляют собой
самостоятельные изделия, отдельные от управляемого с их помо¬
щью оборудования.
В системах управления технологическими объектами логиче¬
ские команды, как правило, преобладают над арифметическими
операциями с числами, имеющими плавающую точку, что позво¬
ляет при сравнительной простоте микроконтроллера (шины ши¬
риной 8 или 16 разрядов), получить мощные системы, действую¬
щие в режиме реального времени. В современных ПЛК числовые
операции в языках их программирования реализуются наравне
с логическими. Все языки программирования ПЛК имеют легкий
доступ к манипулированию битами в машинных словах в отличие
от большинства высокоуровневых языков программирования со¬
временных компьютеров.
84
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок
Наиболее распространены ПЛК:
• Siemens - SIMATIC S5 и S7;
• Omron CJ1, CJ2, CS1;
• Schneider Electric - PLC Twido;
• Beckhoff;
• Rockwell Automation;
• ABB - 800 x A Industrial IT;
• Mitsubishi - серия Melsec (FX, Q);
• ОВЕН-серия ПЛК 100/110/63/73/154/160.
Контрольные вопросы
1. Приведите классификацию систем и элементов автоматики.
2. Дайте определение основных характеристик датчиков: чувствитель¬
ность датчика, порог чувствительности, разрешающая способность, преде¬
лы измерения, абсолютная погрешность, относительная погрешность, при¬
веденная погрешность, статическая характеристика преобразования.
3. Опишите принцип действия, преимущества и недостатки релей¬
ных датчиков линейного перемещения: электроконтактных, индуктивных,
оптических.
4. Изложите принцип действия, преимущества и недостатки измери¬
тельных датчиков линейного перемещения: потенциометрических, индук¬
тивных, емкостных, оптических.
5. Опишите принцип действия, преимущества и недостатки датчиков
угла поворота и скорости вращения: потенциометрических, магнитных,
эн кодеров.
6. Каков принцип действия тензоэлектрических датчиков силы?
7. Опишите принцип действия, преимущества и недостатки датчиков
температуры: терморезисторов, термоэлектрических датчиков, оптических
пирометров.
8. Каковы принцип действия, преимущества и недостатки датчиков то¬
ка и напряжения?
9. Дайте определение основных характеристик усилителей: коэффи¬
циента усиления, амплитудно-частотной характеристики, уровня шумов,
собственного дрейфа.
10. Приведите основные схемы включения операционных усилителей:
инвертирующая, неинвертирующая, дифференциальная.
11. Дайте описание типовых звеньев аналоговых устройств управления:
апериодического, колебательного, пропорционального, интегрирующего.
12. Опишите основные алгоритмы работы цифровых устройств управ¬
ления: ПИД-регулятора, цифровых фильтров с конечной и бесконечной им¬
пульсной характеристикой.
Глава 2
Сварочные процессы
как объекты регулирования и управления
2.1. Общая характеристика объектов автоматизации
Проектирование систем автоматического управления и регули¬
рования следует начинать с детального изучения объекта автома¬
тизации. Знание общих свойств объекта необходимо для выбора
принципиальной схемы регулирования, технических средств изме¬
рения контролируемых и регулируемых величин, элементов систе¬
мы регулирования и настроек.
Любой объект характеризуется количеством энергии и количе¬
ством вещества, проходящего через него. Режим работы, состояние
объекта определяются совокупностью физических показателей -
параметров - и текущими внутренними процессами, на характер
которых влияют внешние воздействия. Их называют входными пере¬
менными (функциями, сигналами), а точки их приложения - входа¬
ми (рис. 2.1). В автоматической системе часть входных воздействий
(при условии, что они не содержат ошибок) дает системе информа¬
цию о задачах управления. Такие воздействия называют задающи¬
ми (управляющими) воздействиями gk(t). Они либо вырабатываются
управляющим устройством, либо задаются человеком.
Другие воздействия на объект, не связанные с задачами и результа¬
тами управления, называют возмущениями/^). Возмущающие воздей¬
ствия могут быть приложены в разных
точках объекта. Собственно, вследствие
существования возмущений и возникает
необходимость регулирования. Характер
возмущений всегда случайный, приро¬
да же их зависит от природы объекта. Это
могут быть изменения: скорости электри¬
ческого двигателя (вследствие измене¬
ния нагрузки или напряжения питающей
Рис 2.1. Схема многомерно¬
го объекта управления
86
Глава 2. Сварочные процессы как объекты регулирования и управления
сети); температуры нагревательной печи (в результате падения давле¬
ния газа в подводящем трубопроводе); напряжения дуги в связи с изме¬
нением ее длины (из-за овальности обечайки или зазора в стыке) и т. п.
Из всех возможных возмущение по нагрузке считают основным.
К возмущениям можно отнести и помехи-ненужные, вредные состав¬
ляющие информации, содержащиеся в задающем воздействии и воз¬
никающие вследствие субъективных ошибок человека при управле¬
нии объектом либо из-за погрешностей задающего устройства.
Входные (управляющие и возмущающие) воздействия вызы¬
вают изменение всех или части выходных (регулируемых) величин
у,(/), ...,yt(t) и координат состояния *,(/),..., xm(t) системы.
В процессе работы объекта (или системы управления) не¬
которые воздействия и возмущения контролируют. Такие воз¬
действия и возмущения называют контролируемыми в отличие
от остальных - неконтролируемых.
Если объект имеет всего одну управляющую и одну управляе¬
мую величину, то его относят к простым, или одномерным (одно¬
связным). При наличии нескольких выходных величин объект на¬
зывают многомерным. Если взаимно связанных координат у объекта
несколько, то его называют многосвязным.
Свойства объекта можно описать различными способами: схема¬
ми (функциональной, принципиальной, структурной) с пояснитель¬
ными текстами, графическими зависимостями (описываемыми, на¬
пример, с помощью булевой алгебры и др.). Высокую достоверность
описания объекта обеспечивают экспериментальные характеристики.
Математическое описание объектов (дифференциальными или раз¬
ностными уравнениями) наиболее широко распространено при про¬
ектировании и исследовании систем автоматического регулирования.
В зависимости от вида системы дифференциальных уравнений
объекта его называют линейным (если система представлена линей¬
ными дифференциальными уравнениями или может быть сведена
к ним) либо нелинейным. Различают также объекты с запаздыванием
и без запаздывания передачи управляющего воздействия.
Может быть два состояния объекта - статическое и динамиче¬
ское. Статическое состояние характеризуется отсутствием зависи¬
мости управляемых величин и внешних воздействий от времени:
х = F](gk’f„ )•
При этом под статическим состоянием понимается не только по¬
кой, но и установившееся движение объекта с постоянной скоростью.
2.1. Общая характеристика объектов автоматизации
87
В динамическом состоянии соответствующие характеристики при
изменении внешних воздействий gk(t) иfn(t) рассматривают во времени:
m=F2[gk(t),f,xt)\.
Если регулируемый объект после снятия возмущающего воздей¬
ствия (нагрузки) способен самостоятельно (без регулятора) возвра¬
щаться к прежнему установившемуся режиму работы или близкому
к нему, то считают, что такой объект устойчив и обладает свойством
положительного самовыравнивания, или саморегулирования. Объ¬
ект, у которого после снятия воздействия возникшее отклонение
регулируемой величины продолжает увеличиваться, не обладает
самовыравниванием и называется неустойчивым. Существуют ней¬
тральные объекты - с нулевым выравниванием. После снятия воз¬
действия такие объекты занимают новое установившееся состояние,
зависящее от величины и знака этого воздействия.
При наличии у объекта свойств самовыравнивания функция ре¬
гулятора упрощается и он может вообще не потребоваться (напри¬
мер, система саморегулирования сварочной дуги в дуговых аппара¬
тах с постоянной скоростью подачи электродной проволоки).
Определение количественных характеристик объектов связано
с решением задачи идентификации объекта. При этом реальный объект
отождествляют с принятой математической моделью. Однако необхо¬
димо помнить, что математическая модель - это всего лишь прибли¬
жение к оригиналу (она никогда не совпадает с ним точно). Причиной
этого могут служить ряд не учтенных (или идеализированных) при со¬
ставлении модели физических процессов в объекте, упрощение их опи¬
саний в целях получения более простой (например, линейной) модели.
Обычно под идентификацией технологических объектов понимают
экспериментальные методы получения статических и динамических
моделей. Мы более широко понимаем этот термин, связывая его с мето¬
дами получения математической модели объекта-как с теоретическими
(с использованием уравнений математической физики, электротехники,
гидродинамики, электродинамики и др.), так и с формальными (на осно¬
ве статистической обработки массивов экспериментальных данных, по¬
лученных при обследовании входных и выходных параметров объекта),
когда сам объект рассматривается в виде «черного ящика».
При теоретическом подходе связь между входными и выходны¬
ми параметрами модели устанавливают на основе изучения суще¬
ствующих физических закономерностей процесса. При этом в за¬
висимости от степени детализации этого изучения модели могут
содержать описания процессов как на микро-, так и на макроуровне.
88
Глава 2. Сварочные процессы как объекты регулирования и управления
Математической моделью технического объекта на микроуровне
является система дифференциальных уравнений в частных произво¬
дных, описывающая процессы в сплошной среде с заданными гранич¬
ными условиями. Как правило, базовые уравнения - это уравнения ма¬
тематической физики, с помощью которых удается описать процессы
в сварочной ванне с учетом явлений электродинамики, гидродинами¬
ки, теплопроводности. При этом используют уравнения математиче¬
ской физики: Максвелла, Навье - Стокса, Фурье и др. Точное решение
этих уравнений удается получить лишь в частных случаях, когда без¬
ошибочно могут быть заданы граничные условия, а сами уравнения
адекватно описывают физические процессы в исследуемой среде. Ре¬
шение уравнений позволяет без больших производственных и физи¬
ческих затрат объяснить выдвигаемые гипотезы при формировании
сварного шва, определить критические условия появления недопусти¬
мых дефектов в шве (подрезов, пор, непроваров и др.), сформулиро¬
вать причины нестабильности процессов формирования шва на ряде
режимов при различных способах сварки плавлением, определить об¬
ласти качественного формирования шва, обосновать критерии оценки
бездефектного формирования шва на форсированных режимах и т. д.
Однако использование моделей на микроуровне связано с боль¬
шим временем счета по ним даже на современной быстродейству¬
ющей вычислительной технике. Такие модели нельзя применять
в задачах управления, когда требуется оценка качества процесса
в реальном времени. Поэтому в системах управления чаще исполь¬
зуют модели объекта, полученные из перечисленных выше на ос¬
нове предварительно проведенного вычислительного эксперимента
и последующей свертки расчета в регрессионную модель, или мо¬
дели, описывающие процессы в объекте на макроуровне. При этом
математическая модель представляет собой систему дифференци¬
альных уравнений с простыми производными в линейной или не¬
линейной записи. Простейший пример такой модели - это динами¬
ческая модель сварочной ванны.
Весьма широко, особенно в задачах проектирования, при запи¬
си математической модели объекта применяют передаточные функ¬
ции. При этом сложный объект удается декомпозировать на более
простые элементы с известными передаточными функциями и свя¬
зями между ними. Такие модели широко используют при анализе
динамики процессов в сварочном контуре и его элементах (дуге, лу¬
че, сварочной ванне) при различных способах сварки плавлением,
в элементах сварочного оборудования (приводах подачи электрод¬
ной проволоки, источниках питания дуги).
2.1. Общая характеристика объектов автоматизации
89
Возможные формы математической записи динамических моде¬
лей на макроуровне для одномерного линейного объекта представ¬
лены в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Динамические модели одномерного линейного объекта
Наименование
модели
Математическое выражение
Дифферен¬
циальное
уравнение
V' ^ [х(0] уЬ и ^ [*(0] ^
1°‘ * -Ъь' л
Передаточ¬
ная функция
т
«го». У-- f'P' , .Ъш
Мр) 2>,р*
к=0
Амплитуд¬
но-фазовая
характери¬
стика
ГШ)
W(j(0) = -M-L = -£=« = Р(ш) + „ > т;
X{JU)
к=0
W(ja) = А(ш)еМо>); <р(со) = arclg^7;
Р(ю)
А(ш) = ^Р2(о)) + е2((а)
Передаточ¬
ная функция
при случай¬
ных воздей¬
ствиях
fV(j(o) = ^^-; SXf(a>)=jRxx(T)e-/md'c;
Sjor(a>) i
j r
SYX(m) = f RYX(x)e-jmdv, Rxx(t) = lira— f x(t)x(t + T)dt;
j T—>°o 2J
Cx) = J /е xx{x-t)k(t)dt
0
Обозначения: ак, Ъ. - постоянные коэффициенты; Х(р), Y(p) - преобразование
Лапласа входного лг(/) и выходного (реакции объекта) y{t) сигналов; р - оператор
Лапласа; Ду'оо), (усо) - преобразование Фурье входного и выходного сигналов; со -
частота изменения гармонического сигнала; Р(со), £?(со) - действительная и мнимая
части амплитудно-фазовой характеристики (АФХ) объекта; k(t) - импульсно-пере¬
ходная функция объекта; Л (со), ср(со) - амплитудно-частотная (АЧХ) и фазочастотная
(ФЧХ) характеристики объекта; Rxx{t) - автокорреляционная функция входного сиг¬
нала; т - временной аргумент корреляционной функции; Ryx((o) - взаимная корреля¬
ционная функция выходного и входного сигналов; S^co) - спектральная плотность
входного сигнала; ^(со) - взаимная спектральная плотность случайных сигналов
на входе и выходе объекта управления.
90
Глава 2. Сварочные процессы как объекты регулирования и управления
В ряде случаев модели могут быть сведены к описанию по¬
ведения объекта в статике. Такие модели наиболее простые, они
описываются алгебраическими уравнениями или аналитическими
эквивалентами, в которых не учитывают случайные временные из¬
менения параметров, переходные процессы, а также медленные из¬
менения характеристик объекта во времени, связанные с дрейфом
его параметров.
При наличии в моделях нелинейных членов в задачах анализа
объекта прибегают к линеаризации уравнений по методу Тейлора,
ограничивая тем самым изучение процесса только случаем малых
отклонений его от равновесного состояния.
Часто точное математическое описание объекта сделать слож¬
но ввиду неизвестности реальных функциональных зависимостей
между переменными, непостоянства значения физических констант.
В таких случаях при получении математической модели объекта
прибегают к формальным методам. При этом широко применяют
экспериментальное исследование объекта, обработку результатов
эксперимента с привлечением математического аппарата теории
планирования эксперимента и регрессионный анализ.
Задача получения макромодели включает следующие процедуры:
• определение структуры модели;
• определение значений параметров модели;
• проверка модели на адекватность.
Под структурой модели понимают вид ее математических соот¬
ношений. Задача определения структуры модели не формализована.
Исследователь стремится выбрать максимально простую структуру,
которую усложняют только в том случае, если проверка на адекват¬
ность дала отрицательный результат.
Задача определения значений параметров модели обычно реша¬
ется формальными методами и ставится следующим образом: при
определенной структуре модели требуется рассчитать внутренние
параметры так, чтобы в заданном диапазоне изменения внешних па¬
раметров отличия выходных параметров модели от выходных пара¬
метров объекта были минимальными. Мерой близости (критерием
качества) модели и объекта обычно служит минимум средней ква¬
дратической ошибки:
М[(у-ум)2]^тт, (2.1)
где у - выходной параметр объекта; ум - выходной параметр модели
объекта.
2.1. Общая характеристика объектов автоматизации
91
В задачах управления чаще всего используют линейную форму
модели:
уы=Ах + В, (2.2)
где^м - вектор выходных параметров модели; А - матрица коэффи¬
циентов; х- вектор входных параметров модели; В - базовый вектор.
Оптимальное значение коэффициентов А*, В* модели определя¬
ют по экспериментальным данным при планируемом обследовании
объекта с использованием метода наименьших квадратов примени¬
тельно к уравнениям (2.1) и (2.2).
При идентификации процессов в сложных объектах может
оказаться неизвестным не только вид функциональной зависимо¬
сти (2.2), но и факт связи между параметрами^ их. Например, при
изменении параметра х параметр у изменялся за счет какого-то тре¬
тьего параметра z (возмущения), действующего в тот момент на объ¬
ект. Тогда для выяснения связи между параметрами х и у вычисляют
коэффициент корреляции /?(х, у), равный ковариации нормирован¬
ных случайных величин Х.{ и Y{ \
R(x,y) = cov(X, = (2.3)
где Х{ =(xz - тх)/ах, Yt = {yt ~ту)1<зу - нормированные значения;
тх, т - математические ожидания; ох, ау- средние квадратиче¬
ские отклонения переменных х и у.
Вычисленный по уравнению (2.3) коэффициент Л(х, у) находит¬
ся в пределах 0 < 7?(х, у) < 1.
При Л(х, у) = 0 процессы изменения параметров в объекте носят
чисто случайный характер и функциональной связи между перемен¬
ными х и у не существует.
При Л(х, у) = 1 можно говорить о наличии линейной функцио¬
нальной связи между параметрами х и у.
В общем случае для одномерного линейного объекта с возмож¬
ным случайным изменением его параметров х иу при обследовании
объекта удобно использовать уравнение
у(х) = ту + /?(х, у)—(х- тх). (2.4)
Коэффициент R(x,y) в уравнении (2.4) можно вычислить по
уравнению (2.3).
92
Глава 2. Сварочные процессы как объекты регулирования и управления
При описании изменения входных и выходных переменных
в объектах, подверженных действию случайных воздействий, в те¬
ории автоматического управления широко используют понятия кор¬
реляционной функции и спектральной плотности, а также существу¬
ющие аналитические связи между ними через параметры объекта
и регулятора. В теории управления детально разработана методика
анализа динамики поведения таких объектов, методы их идентифи¬
кации, алгоритмы адаптации коэффициентов модели при изменени¬
ях параметров среды, в которой функционирует объект.
Остановимся на некоторых особенностях описания многомер¬
ных объектов, которые имеют две (или более) входные управля¬
ющие величины (gp ..., gk) и несколько выходных регулируемых
величин (yv ...,у) (см. рис. 2.1). При этом может быть также любое
число возмущающих воздействий (fp ••.,/,). Многомерный объ¬
ект с заданной внутренней структурой интегрирует в себе реак¬
цию на входные воздействия от всех gA, приложенных к объекту
в различных точках его структуры. Цель управления объектом при
этом - обеспечение требуемых значений компонентов выходного
вектора y.(t) объекта (при условии, что вектор возмущений f. Ф О
для / = 1,..., п).
В сварке примерами таких объектов служат сварочная ван¬
на сложной формы, управление параметрами (током и скоростью
сварки) которой осуществляют как минимум двумя управляющими
воздействиями; сварочный робот с манипулятором, который имеет
от четырех до шести степеней подвижности и на конечном органе
которого размещается сварочная горелка (сварочные клещи), пере¬
мещаемая по сложной траектории.
Многомерный объект совместно со своими внешними регуля¬
торами формирует многомерную систему управления. Для описа¬
ния возможностей управления такими системами в теории автома¬
тического регулирования используют метод переменных состояния.
При этом методе в описание состояния объекта помимо входных
и выходных переменных вводят совокупность физических перемен¬
ных (jc]5..., xj, характеризующих поведение объекта (системы) в бу¬
дущем при условии, что известны состояние объекта в исходный
момент времени и приложенные к системе воздействия. Другими
словами, если объект (см. рис. 2.1) описывается m-мерным векто¬
ром состояния [х,(0, хДО], то метод переменных состояния по¬
зволяет по начальным значениям переменных [х,(/0), ..., xj70)], за¬
данным в начальный момент времени /0, и заданным управляющим
2. ]. Общая характеристика объектов автоматизации
93
воздействиям [g,(0>gk(t)] при t > tQ определить будущие значения
переменных состояния (х,, хт) и компоненты выходного вектора
л)-
Если ввести векторную форму записи для переменных объекта
gl
*1
A
У1
g-
; x-
iy-
Sk_
_Xn,_
.У/.
то для любого момента времени t состояние объекта может быть за¬
дано системой уравнений
*(0 = Vi[*(*o)> *(0. ЛО];
= ¥,№)> 2(0, ДО],
где x = dx/ dt, \|/^ и \|/v - некоторые в общем случае нелинейные
однозначные векторные функции. Уравнения (2.5) являются систе¬
мой уравнений первого порядка, называемой нормальной формой
Коши, и используют в своей записи вектор переменных состоя¬
ния x{t).
Если функции \|/^ и \|/у линейны, то систему (2.5) обычно за¬
писывают в виде
x(t) = A(t)x(t) + B(t)m(t);
y(t) = C(t)x(t) + D(t)m{t), ( ' }
где A(t) - матрица коэффициентов; B(t) - матрица управления; C(t) -
матрица выхода; D(t) - матрица обхода системы; m(t) - вектор-стол¬
бец входа, составленный из всех входных переменных g(t) и f[t),
влияющих на поведение системы.
Матрицы A{t), C(t), B(t), D(t) в представленной записи характе¬
ризуют состояние линейного нестационарного объекта (системы).
Если рассматривать линейный стационарный объект и в качестве
входных переменных учитывать только управляющие воздействия
g(t), то общие уравнения состояния системы примут вид
•*(0 = Ax(t) + Bg(t);
ДО = Cx(t) + Dg(t).
(2.7)
94
Глава 2. Сварочные процессы как объекты регулирования и управления
Уравнения (2.7) описывают динамику поведения линейного
многомерного объекта. Если исследуют поведение этого объекта
в статике, то уравнения (2.7) модифицируют введением условия
* = 0.
Статическая характеристика управления многомерным объек¬
том определяется уравнениями
Ax(t) + Bg(t) = 0;
y(t) = Cx(t) + Dg(t). ' J
Рассмотрим преимущества метода переменных состояния при
анализе многомерных объектов и систем.
При одномерных объектах и системах для описания их по¬
ведения в статике и динамике использовались уравнения связи
«вход - выход», которые были очень удобны в инженерной прак¬
тике. Развитие метода переменных состояния показало, что метод
«вход - выход» имеет существенные ограничения при использова¬
нии в многомерных системах и при одномерных системах высокого
порядка. Эти ограничения связаны в основном с понятиями управ¬
ляемости и наблюдаемости, которые не учитывались в методе пе¬
ременных «вход - выход». При получении передаточной матрицы
сложной системы по передаточным матрицам или функциям ее под¬
систем (подсистемы выделяются при анализе на основе декомпози¬
ции сложного объекта или системы на части) возможно сокраще¬
ние полюсов (нулей) в передаточной матрице системы, существенно
влияющих на ее динамику. Пренебрежение этим сокращением при
расчете систем управления, как показывает опыт, может привести
к ошибочным результатам при анализе системы.
Управлять состоянием системы x(t) можно, изменяя вектор
управляющих воздействий g(t), а наблюдать ее состояние можно,
измеряя вектор выходных параметров^/) (рис. 2.2). В связи с этим
возникают два вопроса, имеющих кардинальное значение для тео¬
рии автоматического управления:
1) можно ли, выбрав соответствующим образом управляющие
воздействия g{t), перевести объект управления из некоторого про¬
извольного состояния дг(/0) в другое произвольное состояние *(/,)?
2) можно ли, наблюдая вектор выходных параметров y{t) в тече¬
ние достаточно долгого промежутка времени, определить начальное
состояние объекта л:(/0)?
Ответ на первый вопрос связан с понятием управляемости, а от¬
вет на второй - с понятием наблюдаемости.
2.1. Общая характеристика объектов автоматизации
95
Рис 2.2. Схема системы с одной неуправ¬
ляемой х, и одной ненаблюдаемой х2
переменными
Далеко не все многомерные системы и объекты управляемы
и наблюдаемы. На рис. 2.2 приведена схема объекта управления
с одним управляющим воздействием g и четырьмя параметрами
состояния х = [х,, х2, х3, х4]. Переменная х} не соединена с входом g,
и поэтому он не может влиять на ее изменение во времени. Такую
переменную состояния называют неуправляемой. Переменная х2
не соединена с выходом, поэтому по наблюдению выхода у не¬
возможно определить хг Такую переменную состояния называют
ненаблюдаемой.
Можно дать следующее определение полностью управляемому
объекту. Объект называют полностью управляемым, если для лю¬
бых моментов времени t0 и tv tx > tQ и любых заданных состояний х0
и хх существует управление g(t) (tQ< t < / Д переводящее начальное
состояние^ в конечное я:,, например в состояние (0, /j).
В теории управления существует теорема Калмана, по которой
необходимым и достаточным условием для управляемости объекта,
описываемого уравнениями (2.5), является условие наличия ранга п
матрицы
Q = [В, АВ, А2В, А" 'В], (2.9)
составленной из коэффициентов первого уравнения (2.6).
По Калману, система будет полностью управляемой, если
rang = rang [В, АВ, А2В, ..., Ап~]В] = п,
где п - максимальное число переменных состояния системы. Часто
матрица (2.9) имеет ранг п для некоторого v < п, т. е.
rangQv = rang[B, АВ, А2В, ..., Ап~1В] = п, (2.10)
I де v - размерность управляемой части объекта.
Наименьшее значение v, при котором соблюдается равен¬
ство (2.10), называют показателем управляемости. При v = n объект
96
Глава 2. Сварочные процессы как объекты регулирования и управления
(система) полностью управляемый, при 0 < v < п - не полностью
управляемый, при v = О объект (система) полностью неуправляемый.
Перейдем теперь к понятию наблюдаемости динамики поведе¬
ния многомерного объекта. Непосредственно наблюдаемыми явля¬
ются выходные величины у, которые можно измерять при функцио¬
нировании объекта.
Объект называют полностью наблюдаемым, когда путем на¬
блюдения (измерения) его показателей качества (выходных пере¬
менных)^/) при заданных входных управлениях^/) (0 < / < Г, где
Т - интервал наблюдения) можно определить все координаты на¬
чального состояния объекта xQ. Соответственно объект (система)
будет не полностью наблюдаемым, если через измеренные выход¬
ные величины определяются не все координаты начального со¬
стояния объекта (системы). Можно дать следующую математиче¬
скую интерпретацию этому условию. Следуя Калману, составим
матрицу
Н = [СТ, АТСТ, (АТ)2СТ, (Ату-'Ст1
где Ат, Ст - транспонированные матрицы, составленные из коэффи¬
циентов уравнения (2.7).
Система будет полностью наблюдаемой, если
rang Н - п.
Из выражения для матрицы Н очевидно, что наблюдаемость
rangi/^ = rang[CT, АТСТ, ..., (ЛтГ'Ст] = п
определяется свойствами матриц Ат и С\ Как и в случае управля¬
емости, если матрица Н имеет ранг п для некоторого р < п, то наи¬
меньшее р, при котором справедливо последнее равенство, назы¬
вается показателем наблюдаемости. При р = п объект (система)
полностью наблюдаемый, при 0 < р < п - не полностью наблюдае¬
мый, при р = 0 - полностью ненаблюдаемый.
Укажем, что в частном случае, когда в объекте (системе) есть
одно управляющее воздействие и одна измеряемая выходная вели¬
чина у, для обеспечения необходимых условий управляемости и на¬
блюдаемости системы достаточно, чтобы матрицы и // не равня¬
лись нулю (т. е. были невырожденными).
В практике анализа различных систем управления могут суще¬
ствовать варианты решений, при которых полностью наблюдае¬
мая система неуправляема по некоторым переменным, и наоборот:
2.2. Особенности автоматизации процессов в комплексной задаче механизации... 97
полностью управляемая система по некоторым переменным нена¬
блюдаема.
Понятия управляемости и наблюдаемости имеют важное значе¬
ние для теории оптимальных систем при их проектировании. Однако
и в обычных технических системах (не строго оптимальных), когда
не возникает необходимости или просто нет возможности в наблю¬
дении и управлении для всех п переменных состояния системы, эти
понятия используют при проектировании.
Часть переменных в системах может не соответствовать физи¬
чески реальным величинам или может не быть технической воз¬
можности их прямого измерения. При проектировании систем с ис¬
пользованием теории переменных состояния может возникнуть
необходимость повышения ранга наблюдаемости системы. Это
связано с определенными трудностями, для преодоления которых
можно рекомендовать искусственное введение дополнительных
переменных состояния в равенство (2.10), контролируемых в ходе
процесса с помощью специальных датчиков. Такими переменными
могут быть, например, температура в выбранной точке шва, яркость
светимости источника нагрева или зоны его взаимодействия с метал¬
лом при сварке и др. Эти приемы открывают новые возможности
и проектировании сложных многоконтурных систем управления сва¬
рочными процессами по комплексному критерию качества, учитыва¬
ющему как геометрические характеристики формируемого шва, так
и заданные показатели свариваемости, которые важно выдержать для
обеспечения хороших эксплуатационных свойств будущего изделия.
2.2. Особенности автоматизации процессов в комплексной
задаче механизации и автоматизации сварочного
производства
Комплексную автоматизацию сварки в общем случае можно рас¬
сматривать как совокупность решения двух задач: I - обеспечение
ориентированного движения рабочего органа (электродов, дуги, лу¬
ча) по заданной пространственной траектории, требуемого цикла
сварки и закона управления технологическими параметрами (ско¬
ростью сварки, силой тока, напряжением на электродах, скоростью
подачи проволоки и т.д.) в функции различных технологических
возмущений; II - механизация и автоматизация подготовительных,
сварочных и транспортных операций.
98
Iлава 2. Сварочные процессы как объекты регулирования и управления
Задача I касается автоматизации собственно процесса сварки.
Особенности этой задачи: необходимость изучения свойств техно¬
логического объекта регулирования каждого способа сварки в це¬
лях построения расчетных моделей; определение критериальных
физических и геометрических параметров объекта, наиболее полно
характеризующих качество сварного соединения; разработка спосо¬
бов измерения критериальных параметров в процессе сварки; ис¬
следование на моделях сварочного контура совместно с источником
питания; разработка замкнутых систем автоматического регулиро¬
вания различных критериальных параметров объекта.
Сложность решения задачи I обусловлена необходимостью учета
при построении расчетных моделей сложных физических процессов,
происходящих в сварочном контуре (электрических, электромагнит¬
ных, тепловых, механических, гидродинамических, радиационных).
Вследствие изменения параметров процесса во времени и физиче¬
ских констант под воздействием внешних условий, нелинейности
характеристик процесса не всегда удается описать его простыми
дифференциальными уравнениями. Попытки применения для опи¬
сания технологического процесса сварки известных теоретических
положений математической физики, теоретической гидромеханики,
электротехники, теории поля, теплопередачи приводят к получению
нелинейных дифференциальных уравнений, содержащих частные
производные и переменные во времени коэффициенты. Решение
таких уравнений затруднительно даже с помощью современных
вычислительных машин, поэтому в инженерной практике для по¬
лучения математических моделей процесса широко используют по¬
ложения теории вероятности и математической статистики. На базе
этих теорий разработаны методы идентификации объекта, сущность
которых сводится к статистическому анализу реализаций входных
и выходных параметров объекта регулирования, записанных в ходе
технологического процесса.
Иногда, при низком уровне возмущений, можно упростить ре¬
шение этой задачи, рассматривая его в приращениях относительно
номинальных параметров процесса. Уравнения, описывающие ди¬
намику процессов в объекте регулирования, в этом случае могут
быть сведены к линейным дифференциальным уравнениям с посто¬
янными коэффициентами. Процедура анализа и синтеза требуемой
структуры САУ процессом упрощается.
Конечной целью решения задачи I является построение системы
автоматического регулирования (САР) или управления параметрами
2.3. Классификация возмущений в сварочном контуре
99
процесса сварки. Эффективность работы этих систем зависит
от уровня механизации и автоматизации подготовительных, сбо¬
рочных, сварочных и транспортных операций (задача II). Таким
образом, решение задачи II полностью взаимосвязано с решением
задачи I. Оно позволяет улучшить качество сборки стыка перед свар¬
кой, повысить точность позиционирования детали под электродами,
а следовательно, снизить уровень возмущений в сварочном контуре.
11оявляется возможность вписать автоматический процесс сварки
и ритм работы технологической линии, автоматизировать операции
поиска стыка, зажигания дуги, управления собственно процессом
сварки и его окончанием.
2.3. Классификация возмущений в сварочном контуре
Процесс сварки, как и любой другой процесс, протекает в тесной
взаимосвязи с окружающей средой. Изменения в окружающей среде
вызывают изменения в характере процесса сварки. В автоматике та¬
кой процесс называют возмущенным. Возмущения могут привести
к отклонению свойств сварного соединения от требуемых, т.е. к по¬
явлению недопустимых дефектов в сварном шве.
Различные по физической природе возмущения приложены
в разных точках сварочного контура источник питания - источник
нагрева - изделие, поэтому влияние одних возмущений на процесс
сварки может быть ослаблено или относительно легко устранено пу¬
тем их измерения и компенсации, устранение других связано с опре¬
деленными трудностями.
При воздействии несимметричных возмущений (смещение кро¬
мок стыка) изменяются размеры и форма изотерм температурного
моля. В этом случае для стабилизации температурного поля требу¬
ется не менее двух воздействий на объект, например изменение сва¬
рочного тока и смещение электрода с линии стыка. Структура САР
мри этом несколько усложняется.
Методы теории автоматического регулирования позволяют ис¬
ключить влияние конструктивных и технологических возмущений
ма выходные параметры объекта. При этом не обязательно непосред¬
ственно измерять возмущение, а достаточно построить САР таким
образом, чтобы точка приложения возмущения оказалась внутри зам¬
кнутого контура. Если возмущение легко измерить, то его действие
легко ослабить построением САР с управлением по возмущению
Возмущения в сварочном контуре
Рис 2.3. Классификация возмущений в сварочном контуре
2.3. Классификация возмущений в сварочном контуре
101
либо построением комбинированной САР, сочетающей в своей ра¬
боте управление по отклонению выходной величины и управление
но возмущению. При определенных условиях такая система реали¬
зуется полностью инвариантной по отношению к рассматриваемому
возмущению.
При построении САР учитывают только доминирующие техно¬
логические возмущения, т.е. такие, влияние которых существенно
сказывается на основных свойствах сварного соединения и к то¬
му же не может быть ослаблено действием систем стабилизации
энергии источника нагрева. Доминирующие возмущения и их об¬
щее число определяют обычно экспериментально для каждого кон¬
кретного случая сварки. Их измеряют с помощью контактных или
бесконтактных датчиков с различными принципами действия (по¬
тенциометрических, емкостных, пневматических, телевизионных,
электромагнитных, фотоэлектрических и др.). Классификация ос¬
новных возмущений, действующих в сварочном контуре, приведе¬
на на рис. 2.3. В ней учтены точка приложения возмущений в сва¬
рочном контуре и физическая природа возмущения. Классификация
упрощает выбор в каждом конкретном случае требуемой системы
управления процессом сварки.
Например, влияние возмущений, действующих на цепь источ¬
ник - сварочная дуга (колебания напряжения питающей сети, изме¬
нение длины дуги и пр.), сравнительно просто устранить с помощью
систем автоматической стабилизации параметров режима сварки:
сварочного тока, напряжения на дуге, скорости сварки, скорости
подачи плавящегося электрода (присадочной проволоки) и т. д. По¬
добные системы в различных исполнениях внедрены в промышлен¬
ности. Их применение стабилизирует энергетические параметры
сварочной дуги и, следовательно, ее тепловую мощность.
Значительно сложнее компенсировать влияние возмущений,
приложенных к цепи электрод - деталь. Их влияние не ослабляется
с помощью систем автоматической стабилизации параметра режима
сварки.
С некоторыми допущениями эти возмущения условно можно
разделить на две группы: конструктивные и технологические. Кон¬
структивные возмущения обусловлены конструктивными особен¬
ностями сварного соединения. Они возникают при расположении
отверстий или приливов в непосредственной близости к стыку, при
изменении толщины свариваемого металла, разностенности детали
и др. Влияние конструктивных возмущений выражается в изменении
102
Глава 2. Сварочные процессы как объекты регулирования и управления
условий теплопередачи и в перераспределении тепловой мощности
источника нагрева между деталью и окружающей средой.
Технологические возмущения возникают в основном при неточ¬
ностях сборки стыка, приводящих к изменению зазора между сва¬
риваемыми кромками, формы и размеров разделки кромок, к сме¬
щению кромок, изменению степени прилегания формирующей
подкладки по длине стыка. Кроме того, к этим возмущениям можно
отнести эрозию электрода, изменение структурной и химической
однородности свариваемого материала, изменение качества защит¬
ной среды, наличие технологических прихваток по длине стыка.
Технологические возмущения в основном имеют случайный харак¬
тер. Как правило, они появляются вследствие несовершенства сбо¬
рочных приспособлений и технологической оснастки.
Конструктивные и технологические возмущения трудно контро¬
лировать в процессе сварки. Для их измерения требуются специаль¬
ные датчики, работающие по разным физическим принципам.
При отработке с помощью САР конструктивных и технологи¬
ческих возмущений необходимо учитывать их симметрию относи¬
тельно свариваемого стыка. Влияние симметричных возмущений
(наличие в свариваемом изделии отверстий, симметрично распо¬
ложенных относительно стыка) можно устранить, если применять
САР с одним регулирующим воздействием. Таким воздействием
может быть, например, сварочный ток, изменением которого обе¬
спечивается стабилизация изотермы температурного поля в зоне
стыка.
2.4. Характеристика физических процессов в объектах
регулирования при различных способах сварки
Дуговая сварка. В технологическом цикле формирования шва
при дуговой сварке плавлением образование сварочной ванны -
важнейший этап получения неразъемного соединения. От формы
и размеров сварочной ванны зависят форма и размеры сварных швов
и, следовательно, эксплуатационные характеристики получаемых
соединений.
Сварочная ванна при дуговых процессах характеризуется ее дли¬
ной и шириной, а также глубиной проплавления основного металла.
Объем сварочной ванны в зависимости от способа и режима сварки
изменяется от 0,1 до 10 см3. Сварочная ванна имеет эллипсовидное,
2.4. Характеристика физических процессов в объектах регулирования...
103
вытянутое вдоль направления сварки очертание. В поперечном
сечении в зависимости от режима и условий сварки форма сва¬
рочной ванны изменяется в широких пределах. Для дуговой свар¬
ки наиболее характерна форма проплавления, приближающаяся
к полуокружности.
Время пребывания металла сварочной ванны в жидком состо¬
янии для разных ее участков неодинаково. Приближенно средняя
продолжительность существования сварочной ванны
L
vrB
где L - длина ванны, мм; vcb - скорость перемещения источника на¬
грева, мм/с.
Форму и размеры сварочной ванны определяет изотермическая
поверхность объемного теплового поля, соответствующая темпера¬
туре плавления основного металла Тпц. Однако такой подход идеа¬
лизирован, поскольку при этом учитывают лишь распространение
теплоты в глубь металла за счет теплопроводности. В реальных ус¬
ловиях сварки сварочная ванна формируется под действием ряда сил,
действующих в ней, в первую очередь силы тяжести жидкого метал¬
ла, сил поверхностного натяжения и давления источника нагрева.
Кроме того, необходимо учитывать неравномерное распределение
температуры в самой сварочной ванне (рис. 2.4). В головной части
ванны, где под воздействием источника теплоты происходит плав¬
ление металла и наиболее интенсивно протекает взаимодействие
металла со шлаком и с газами, металл нагрет значительно выше
температуры его плавления. В хвостовой части ванны температура
приближается к температуре плавления основного металла. Сред¬
няя температура сварочной ванны
мри сварке под флюсом конструкци¬
онных низкоуглеродистых сталей со¬
ставляет около 1 800 °С, максималь¬
ная температура достигает 2 300 °С.
Рис 2.4. Распределение температуры по
длине головной (а) и хвостовой (б) ча¬
стей сварочной ванны
104
Глава 2. Сварочные процессы как объекты регулирования и управления
Столб дуги, находящийся в головной части сварочной ванны,
оказывает механическое воздействие - давление на поверхность
расплавленного металла. Это давление является результатом со¬
вместного действия упругого удара заряженных частиц о поверх¬
ность металла, давления газов, находящихся в дуговом промежутке,
и электродинамических сил.
Давление дуги приводит к вытеснению жидкого металла из-под
основания дуги и погружению столба дуги в расплавленный металл,
что обусловливает увеличение глубины проплавления. Давление,
оказываемое дугой на поверхность металла, пропорционально ква¬
драту тока, протекающего в дуге. Давление можно повысить за счет
увеличения концентрации источника нагрева, например путем по¬
вышения плотности тока в электроде, применения флюса или туго¬
плавкого покрытия, образующего втулку на конце электрода (сварка
электродами для глубокого провара). Очевидно, что чем выше дав¬
ление, оказываемое дугой на поверхность расплавленного металла,
тем больше глубина погружения столба дуги в ванну.
Жидкий металл, вытесненный из-под основания дуги действу¬
ющими на поверхность сварочной ванны силами, по мере пере¬
движения дуги отбрасывается в хвостовую часть сварочной ванны.
При плотности тока в электроде до 15 А/мм2 это перемещение неве¬
лико и проявляется в образовании не заполненного металлом углуб¬
ления - кратера. При повышенных плотностях тока перемещение
металла сварочной ванны из головной в хвостовую часть создает
разность уровней А, которая зависит от давления дуги р^ и гидро¬
статического давления ру жидкого металла и шлака (рис. 2.5). Если
р < /?г, металл и шлак заполняют образовавшееся углубление, что
Рис 2.5. Расположение жидкого металла в головной и хвостовой частях
сварочной ванны:
1 - основной металл; 2 - расплавленный шлак; 3 - металл сварочной ванны;
4 - металл шва
2.4. Характеристика физических процессов в объектах регулирования...
105
происходит в конце процесса сварки. Если рл > ру, нормальное фор¬
мирование шва нарушается.
К важным факторам, влияющим на геометрические параметры
ванны, относят пространственное положение выполняемых швов.
11ри сварке в вертикальном и наклонном положениях (рис. 2.6, а, б)
11 роцесс можно вести снизу вверх (на подъем) и сверху вниз (наспуск).
И обоих случаях сила тяжести направлена вниз. При сварке на подъ¬
ем жидкий металл перетекает в хвостовую часть ванны, уменьшая
толщину жидкой прослойки под дугой. При этом глубина проплавле¬
ния резко возрастает. Для удержания расплава ограничивают тепло¬
вую мощность дуги и размеры ванны. При сварке на спуск, наобо¬
рот, расплав затекает в головную часть ванны, толщина прослойки
увеличивается, а глубина проплавления уменьшается.
При сварке в потолочном положении (рис. 2.6, в) сварочная ван¬
на также удерживается силами поверхностного натяжения. Для луч¬
шего формирования ванны в этом положении необходимы меры
но ограничению ее объема.
в
г
Рис 2.6. Форма сварочной ванны при сварке в разных пространственных
положениях:
а, б - вертикальном и наклонном на подъем и спуск; в - потолочном;
г - горизонтальном
106
Глава 2. Сварочные процессы как объекты регулирования и управления
Особенно неблагоприятные условия формирования ванны соз¬
даются при выполнении горизонтальных швов (рис. 2.6, г). Расплав¬
ленный металл натекает на нижнюю кромку, что приводит к образо¬
ванию швов несимметричной выпуклой формы с подрезами. В этом
случае необходимо строго соблюдать требования, предъявляемые
к размерам сварочной ванны.
Важный фактор, влияющий на работоспособность сварных со¬
единений, - качество проплавления корня шва, выполняемого чаще
всего на весу. Ванна удерживается на весу силой поверхностного
натяжения:
1 1
'2 У
(2.11)
где а - коэффициент поверхностного натяжения расплавленного
металла; г,, г2 - радиусы кривизны поверхности расплавленного ме¬
талла в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
Поверхностное натяжение уравновешивает давление р , оказы¬
ваемое на ванну дугой, и гидростатическое давление ру = уg/z, опре¬
деляющееся разностью уровней И и плотностью расплавленного
металла у:
РЛ+Рг=Рп.н-
Из этой формулы следует, что удержание ванны облегчается при
уменьшении ее радиусов кривизны, определяемых размерами в по¬
перечном и продольном сечениях. С увеличением ширины и длины
ванны возрастают радиусы гх и гТ В момент достижения одним из ра¬
диусов значения, превышающего критическое, гидростатическое дав¬
ление расплавленного металла и давление дуги превысят поверхност¬
ное натяжение, удерживающее сварочную ванну. Произойдет разрыв
поверхностного слоя в корне шва, и жидкий металл вытечет из ванны.
Образуется прожог. Наиболее распространенные меры предупрежде¬
ния прожогов и обеспечения требуемой формы сварочной ванны -
правильный выбор режимов сварки и применение подкладок.
Изменение скорости сварки при постоянной тепловой мощности
дуги заметно сказывается на размерах сварочной ванны и шва. С по¬
вышением скорости уменьшаются глубина проплавления и ширина
ванны, а длина несколько увеличивается.
На определенных предельных скоростях сварки в сварном со¬
единении возможно образование дефектов в формируемом шве в ви¬
де подрезов, непроваров и даже горячих трещин.
2.4. Характеристика физических процессов в объектах регулирования...
107
С использованием уравнений математической физики можно
дать критериальную оценку качества формирования шва при измене¬
нии скорости сварки. Они позволяют описать особенности течения
жидкого металла в сварочной ванне - от ламинарного до турбулент¬
ного (вплоть до волновых прыжков) в зависимости от параметров
источника нагрева и свариваемого материала; выяснить причины
образования дефектов в шве на основе анализа скорости течения по¬
тока жидкости в ванне, которая может значительно превышать ско¬
рость сварки; сформулировать математический критерий условий
появления такого характерного дефекта на повышенных скоростях
сварки, как подрез, и др.
Изучение механизма образования подреза позволяет определить
наиболее важные факторы, приводящие к его образованию. Это по¬
вышенная скорость перемещения расплава вдоль ванны и характер
распределения давления дуги. Силовое воздействие дуги и тепловая
эффективность дугового разряда, определяющая размеры сварочной
ванны, есть следствие взаимодействия высокотемпературного пото¬
ка плазмы со свариваемым изделием, поэтому попытка изменить
силовые характеристики дуги неизбежно приведет к изменению
размеров зоны проплавления, т. е. при обычном дуговом процессе
невозможно изменить один из факторов, не изменив второй. Ины¬
ми словами, при повышении скорости сварки требуется увеличивать
гепловложение в изделие для обеспечения заданных размеров зоны
проплавления, как правило, за счет сварочного тока. При неизмен¬
ной глубине проплавления ширина шва уменьшается незначительно,
г. е. эффективное тепловое воздействие существенно не изменяется.
Однако силовое воздействие дуги при увеличении тока интенсивно
возрастает и приводит к появлению дефектов. Попытка получить ка¬
чественное формирование снижением тока приведет к уменьшению
глубины проплавления. Таким образом, с помощью сварочной дуги,
полученной с применением обычного вольфрамового электрода, не¬
возможно одновременно решить две задачи повышением скорости
сварки: обеспечить заданную глубину проплавления и получить ка¬
чественную форму шва.
Для анализа процесса образования шва следует на количествен¬
ном уровне дать оценку теплового и силового воздействия дуги
на сварочную ванну.
Выберем соответственно два соразмерных показателя-диаметры
теплового и силового пятна дуги. В большинстве случаев диаметр те¬
плового пятна dT равен ширине сварочной ванны и, следовательно,
108
Глава 2. Сварочные процессы как объекты регулирования и управления
ширине шва, которые можно определить аналитически или экспери¬
ментально при сварке.
Диаметр силового пятна считаем равным диаметру изобары ми¬
нимального давления рт.п на оси дуги при условии, что все изобары
давления дуги есть концентрические окружности.
При нормальном распределении давления по радиусу, как это
принято большинством исследователей, формулу для диаметра си¬
лового пятна dc можно получить из выражения
где кс - коэффициент сосредоточенности распределения дуги по ра¬
диусу пятна нагрева (зависит от плотности свариваемого материа¬
ла); pmin, pmax - минимальное и максимальное давление на оси дуги.
При увеличении скорости сварки и неизменном токе диаметр те¬
плового пятна уменьшается по степенному закону с отрицательным
показателем степени. Диаметр силового пятна dc остается постоян¬
ным. При повышении скорости сварки ширина шва уменьшается,
поэтому боковые стенки ванны подвергаются все большему силово¬
му воздействию дуги. Жидкий металл с боковых стенок оплавлен¬
ного основного металла оттесняется ко дну сварочной ванны, оголяя
их. Это и приводит к образованию дефекта в шве в виде подреза
при затвердевании сварочной ванны (рис. 2.7). Следовательно, при
дефектном формировании шва должно быть справедливо соотноше¬
ние dT < dc (рис. 2.7, б).
Если при dT = dc давление дуги в области максимальной ширины
ванны способно оттеснить жидкий металл с боковых стенок оплав¬
ленного основного металла, то значение рт]п должно определяться,
в первую очередь, плотностью материала.
На основании этого можно выдвинуть следующую гипотезу: ка¬
чественное формирование шва соответствует условию dr < dc, появ¬
ление дефектов формы шва в виде подреза на повышенных скоро¬
стях сварки происходит при условии dT > dc.
Отсюда следует, что для повышения производительности дуго¬
вой сварки необходимы источники нагрева, позволяющие получать
достаточно широкую зону переплава металла при низком силовом
воздействии дуги.
Ршin = Р,пах еХр(-М<2/4)),
Тогда
2.4. Характеристика физических процессов в объектах регулирования...
109
Рис 2.7. Форма сварочной ванны
в зависимости от соотношения диа¬
метров теплового с/ и силового dc
пятен сварочной дуги:
а - бездефектное формирование шва;
б - формирование шва с подрезом
Остановимся еще на одном специфическом вопросе технологии ду¬
говой сварки - описании физических процессов в дуговом промежут¬
ке при переносе через него металла плавящегося электрода. Перенос
электродного металла в зависимости от длины дуги, состава защитной
среды и силы тока происходит крупными, средними и мелкими капля¬
ми с различной частотой следования (50... 150 Гц).
Характер переноса металла влияет на металлургические про¬
цессы, происходящие в зоне сварки, а также на форму шва и эф¬
фективный КПД процесса, зависящий от потерь металла на угар
и разбрызгивание. Известны следующие технологические способы
управления переносом: использование комбинированной защиты зо¬
ны дуги (Аг + С02), нанесение на электрод активирующих покрытий,
ведение процесса при vCB > v'B (v'B - критическая скорость сварки
при dT = dQ). Однако они не универсальны, ограничены множеством
факторов технологического и технико-экономического характера.
Следовательно, большое практическое значение имеет разработка
электротехнических методов управления переносом. Идея их исполь¬
зования обусловлена характером сил, действующих на каплю. Одна
часть этих сил при зарождении и развитии капли стремится удержать
ее на конце электрода; другая часть сил, наоборот, стремится отделить
ее от электрода. Пока капля мала, она удерживается на конце электро¬
да силами поверхностного натяжения. Остальные силы (в том числе
вес капли, силы давления газовых потоков и паров металла, электро¬
динамические) несравнимо меньше сил поверхностного натяжения
и существенного влияния на поведение капли не оказывают.
110 Глава 2. Сварочные процессы как объекты регулирования и управления
По мере увеличения объема капли сила поверхностного натя¬
жения, вычисляемая по формуле (2.11), в которой параметры г] и г2
являются радиусами капли в двух взаимно перпендикулярных сече¬
ниях, уменьшается вследствие увеличения г] и г2. На форму капли
и ее движение начинают влиять силы электродинамической приро¬
ды, превосходящие все другие силы. Электромагнитные силы зави¬
сят от формы капли и закона распределения в ней плотности тока.
При наличии радиусов перехода от торца электрода к капле проис¬
ходит искривление силовых линий тока. В элементарных электроди¬
намических силах dF, действующих на элемент капли объемом dV,
появляются осевые и радиальные составляющие. Радиальные силы
создают в жидкой капле гидростатическое давление
(р2-г2), (2-12)
а
где |д0 - магнитная проницаемость, достигающая наибольшего значе¬
ния на оси капли; 8 - плотность тока в элементарном объеме; р - рас¬
стояние от центра капли до элементарного объема; г - радиус капли.
Если капля симметрична относительно своей оси, то суммарное
действие на нее радиальных сил равно нулю. Это очевидно, так как в
симметричном теле всегда можно выделить два элементарных объе¬
ма, расположенных слева и справа от оси симметрии, в которых ради¬
альные электромагнитные силы равны по значению и противополож¬
ны по направлению. Они могут вызвать только циркуляцию жидкости
в объеме капли. Иное влияние оказывают осевые составляющие элек¬
тродинамической силы. Эти силы создаются радиальной составляю¬
щей плотности тока в искривленной силовой линии. Они не уравнове¬
шивают друг друга. Их результирующая стремится оторвать элемент
с большей площадью сечения от элемента с меньшей площадью сече¬
ния, т.е. каплю от электрода. Такому направленному движению спо¬
собствует также разность давлений внутри капли и в зоне дуги под ка¬
плей. В связи с этим капля как бы втягивается в столб дуги.
Поскольку плотность тока в электроде и капле зависит от тока
дуги, то, воздействуя в определенные моменты времени на ток ду¬
ги, можно управлять переносом металла. Кратковременным и рез¬
ким изменением силы тока дуги можно вызвать в определенный
момент отделение от электрода капли расплавленного металла. Ес¬
ли импульсы тока повторять через достаточно малые промежутки
времени, то можно вместо крупнокапельного переноса получить
мел ко капельный.
2.4. Характеристика физических процессов в объектах регулирования...
Реализация высказанных идей управления процессом дуго¬
вой сварки плавящимся и неплавящимся электродами ниже рас¬
смотрена на конкретных САР и в источниках питания с цифровым
управлением.
Электронно-лучевая сварка. Особенность характеристик объ¬
екта регулирования (сварочной ванны) при электронно-лучевой
сварке (ЭЛС) обусловлена спецификой взаимодействия между пуч¬
ком электронов и жидким металлом сварочной ванны. В начале про¬
цесса сварки мощность пучка сосредоточивается в поверхностном
слое металла, равном глубине проникновения электронов в металл
при данном ускоряющем напряжении. На этой стадии кинетиче¬
ская энергия электронов при их торможении переходит в тепловую.
Площадь пятна нагрева близка к площади поперечного сечения пуч¬
ка, воздействующего на свариваемый металл. По прошествии не¬
которого времени начинается испарение расплавленного металла
и в нем образуется углубление в виде конуса, в который проникает
пучок электронов, частично экранируемый жидким металлом ван¬
ны. В литературе это конусное углубление называют парогазовым
каналом «кинжальной» формы; его стенки в процессе проплавления
взаимодействуют с пучком электронов, плотность мощности кото¬
рого составляет 106... 107 Вт/см2.
Схема продольного парогазового канала и протекающего в нем
процесса приведена на рис. 2.8. Пучок электронов воздействует
в основном на переднюю стенку канала по всей ее толщине. Угол
наклона а этой стенки к вертикали составляет 2.. .3°, поэтому плот¬
ность мощности на ней pcj = /?0sina] ~р0а,, гдер0 - плотность мощ¬
ности в нормальном сечении пучка в точке его соприкосновения
со стенкой.
Рис 2.8. Схема парогазового канала в ванне и протекающего
в нем процесса
112
Глава 2. Сварочные процессы как объекты регулирования и управления
Прир0 = 106 Вт/см2 иpcj = (3...5) • 104 Вт/см2 действие пучка электро¬
нов не вызывает заметного испарения металла. Интенсивное испарение
металла происходит лишь в корне шва, где а2 = 90°, sina2 = 1, рст = р0.
Предполагается, что струя пара металла, двигаясь вверх, взаимодейству¬
ет с жидким металлом ванны, вызывая его неравномерное перемещение
вверх и образование волн и выступов на стенках ванны. Если выступ а
образуется на фронте плавления, то угол взаимодействия пучка с ме¬
таллом существенно увеличивается. Это приводит к местному повыше¬
нию плотности мощности пучка на передней стенке, испарению части
металла, появлению струи s пара и реакции R ее отдачи. Струя s вызы¬
вает местное возмущение жидкого металла в хвостовой части ванны,
а реакция R - перемещение выступа а вниз по стенкам ванны.
Одной из вероятных причин перемещения металла в свароч¬
ной ванне является нарушение термодинамического равновесия,
вызванного несимметричным расположением источника теплоты
в кратере. При взаимном перемещении детали и электронного луча
в этом случае возникает значительный градиент температур в крате¬
ре. На передней стенке кратера, которая подвергается воздействию
электронного потока, достигается температура кипения, а на его зад¬
ней стенке - температура кристаллизации.
При наличии такого градиента температур на поверхности сва¬
рочной ванны появляется дополнительное термокапиллярное на¬
пряжение, направленное тангенциально к ней. Напряжение опреде¬
ляется соотношением
Р-, - grad ст.
Коэффициент поверхностного натяжения а зависит от темпера-
туры на поверхности сварочной ванны. Именно термокапиллярное
напряжение обусловливает дополнительные силы, влияющие на те¬
чение металла из зон с меньшим поверхностным натяжением к зо¬
нам с большим поверхностным натяжением, т. е. на движение жид¬
кого металла из головной в хвостовую часть сварочной ванны.
Импульс, приобретенный объемными волнами на передней стен¬
ке, под действием реакции паров, капиллярного напряжения и непо¬
средственного воздействия пучка электронов выталкивает металл
из нижней части канала по задней стенке на поверхность шва. От это¬
го импульса зависит выпуклость (усиление) шва и получаемая глу¬
бина проплавления. Таким образом, при ЭЛС еще более выражено
доминирующее влияние гидродинамических процессов в сварочной
ванне на формирование сварного соединения.
2.4. Характеристика физических процессов в объектах регулирования...
113
Исследованиями ЭЛС установлена периодичность описанного
механизма, вызываемая повторяемостью образования волн на пе¬
редней стенка кратера. Частота этих процессов для различных мате¬
риалов находится в пределах от десятков до сотен герц. Периодич¬
ность переноса металла сварочной ванны обусловливает появление
частичной дефокусировки пучка электронов вблизи поверхности
волны, где плотность паров наибольшая. С уходом волны интен¬
сивность паров в сечении пучка уменьшается. Электронный пучок
снова фокусируется до момента образования новых волн. Все это
вызывает появление дефектов формирования шва при ЭЛС (изме¬
нение глубины проплавления, чешуйчатость и волнистость шва).
Для предупреждения указанных дефектов часто применяют сварку
по пазу, сварку колеблющимся пучком и импульсную сварку. Эти
способы обеспечивают управляемый перенос жидкого металла
в кратере ванны, причем регулируемыми параметрами являются ча¬
стота колебаний пучка и частота модуляции пучка. При оптималь¬
ной частоте колебаний пучка удается избежать и дефектов в виде
подрезов. Оптимальной считают такую частоту колебаний пучка,
при которой за один период колебаний образованный канал успева¬
ет заполниться жидким металлом сварочной ванны и формируется
сварное соединения без дефектов.
Из изложенного можно сделать вывод, что при разработке обору¬
дования для ЭЛС для стабилизации гидродинамических процессов
в сварочной ванне необходимо решать задачи стабилизации мощ¬
ности пучка электронов в электронных пушках и управления ею,
задачи стабилизации фокусировки пучка и управления ею, разра¬
батывать системы колебаний и модуляции пучка по определенному
закону относительно поверхности кратера. Быстродействие систем
управления этими параметрами должно быть достаточно высоким,
учитывая указанный выше частотный спектр возмущений в объекте.
В качестве эффективных сигналов обратной связи в объекте ре¬
гулирования, очевидно, можно использовать физические параметры
паровой фазы в кратере, степень дефокусировки пучка в процессе
сварки, акустические параметры ванны при движении жидкого ме¬
талла, параметры рентгеновского излучения и вторичные электроны
из зоны контакта пучка с обрабатываемым металлом.
Контактная сварка. Физическая природа образования свар¬
ного соединения при контактной сварке определяется способом
сварки. Различают два основных метода нагрева металла при кон¬
тактной сварке: сопротивлением (стыковая сварка сопротивлением)
114
Глава 2. Сварочные процессы как объекты регулирования и управления
и оплавлением (стыковая сварка оплавлением). При сварке сопро¬
тивлением ток проходит через плотно сжатые детали в месте буду¬
щего сварного соединения. В каждом элементарном объеме металла
выделяется теплота, количество которой пропорционально квадра¬
ту плотности тока, удельному сопротивлению металла и времени
протекания тока. При сварке оплавлением детали плотно не сжима¬
ют, а лишь доводят до соприкосновения. Благодаря большой плот¬
ности тока в местах соприкосновения металл быстро нагревается,
элементарные контакты между деталями превращаются в жидкие
перемычки, которые под действием электродинамических сил или
в результате перегрева разрушаются. Необходимый для сварки пред¬
варительный нагрев деталей можно получить, перемещая их на¬
встречу друг другу так, чтобы процесс возникновения и разрушения
элементарных контактов был непрерывным.
Стыковая сварка сопротивлением. При сварке сопротивле¬
нием сварочным контактом считают ту часть свариваемых деталей,
по которой проходит ток. Зону сварочного контакта в большинстве
случаев можно разделить на несколько областей. Прежде всего это
область образования сварного соединения между свариваемыми де¬
талями, две области контакта электродов с деталями и теми частя¬
ми деталей, которые находятся между указанными областями. Такое
разделение на области условно, поскольку электрические поля в них
взаимно связаны. Сопротивления областей в процессе сварки изме¬
няются, различается их вклад в общий тепловой баланс сварочного
контакта. В соответствии с законом изменения общего сопротивле¬
ния сварочного контакта можно выделить основные стадии процес¬
са получения сварного соединения (рис. 2.9).
При стыковой сварке торцы деталей (пока они не нагреты) со¬
прикасаются лишь по отдельным небольшим площадкам, образовав¬
шимся в результате деформации выступающих частей микрорелье¬
фа. Вследствие местного сужения поперечного сечения токоведущей
части деталей, а также ввиду наличия оксидных пленок на поверх¬
ности металла переходное сопротивление между холодными деталя¬
ми оказывается высоким.
В начале процесса сварки непосредственно в контакте между де¬
талями, электродами и деталью выделяется значительная энергия,
горцы деформируются, оксидные пленки разрушаются, что ведет
к увеличению площади контакта этих частей и снижению практиче¬
ски до нуля переходного сопротивления /?' между деталями, элек¬
тродом и деталью R'.r Сопротивление R в деталях в течение термо-
2.4. Характеристика физических процессов в объектах регулирования..
115
Рис 2.9. Изменение электрического сопротивления в процессе стыковой
сварки сопротивлением
механического цикла сварки изменяется следующим образом:
сначала возрастает в пределах сотых долей секунды (зона I), а затем
стабилизируется на уровне /?.™м (зона II). Увеличение R в зоне I объ¬
ясняется увеличением удельного сопротивления р(/) металла при на¬
греве. Дальнейший закон изменения Rд в зоне II определяется изме¬
нением как р(0, так и формы ядра.
Расчет сопротивления сварочного контакта довольно сложен,
особенно в начальной стадии процесса сварки. Сопротивление сва¬
рочного контакта и характер тепловыделения в нем зависят от состо¬
яния поверхностей свариваемых деталей. Особенно велико влияние
естественных оксидных пленок. Например, окалина, покрывающая
горячий стальной прокат, существенно изменяет характер передачи
теплоты. Характер изменения сопротивления сварочного контакта,
особенно в начальной стадии, зависит также от закона приложения
силы Fqb сжатия электродов и формы заточки торцов свариваемых
деталей. Учесть все эти факторы в расчете практически невозмож¬
но. Поэтому динамику изменения сопротивления в зоне сварки в те¬
чение термомеханического цикла процесса определяют эксперимен¬
тально с помощью осциллографа.
Другой обобщенной характеристикой качества процесса при
стыковой сварке сопротивлением можно считать топографию элек¬
трического и температурного поля в зоне сварного соединения с уче¬
том ее связи с основными параметрами процесса сварки.
Температурное поле - совокупность температур в различных
точках деталей в разные моменты времени. Оно определяется про¬
цессами выделения теплоты и ее отвода в соседние участки основ¬
ного металла, электроды или ролики. Электрическое поле характе¬
ризует потенциалы и плотность тока в различных точках деталей
и электродов.
116 Глава 2. Сварочные процессы как объекты регулирования и управления
Распределение параметров электрического поля (потенциала q
и плотности тока у) характеризуется эквипотенциальными и экви-
токовыми линиями в зоне соединения. Эквипотенциальная линия
представляет собой геометрическое место точек, имеющих один
и тот же потенциал. Эквитоковые линии ограничивают части тела,
через которые протекают определенные равные доли общего тока.
Очевидно, чем плотнее линии тока в данном сечении, тем выше
значение у.
Параметры температурного поля в каждой точке сварного соеди¬
нения обусловлены параметрами электрического поля. Температур¬
ное поле определяет характер основных и сопутствующих сварке про¬
цессов. Зная температурное поле, можно прогнозировать изменение
структуры, остаточных напряжений и, в конечном счете, свойства сое¬
динений. От температурного поля зависят также размеры получаемо¬
го ядра. Изменяя при сварке температурное поле, можно регулировать
размеры ядра. Параметры температурного поля можно варьировать
путем изменения энергетических параметров процесса (силы тока,
длительности его протекания) и силы Fb сжатия электродов.
Регулирование силы тока ограничивается возможным выпле¬
ском жидкого металла. Влияние Fcb на параметры температурного
поля электродов проявляется через изменение площади контактов
и плотности тока в сварной точке.
Количественное определение электрического и температурного
полей основано преимущественно на расчетных методах, так как
измерение температур затруднено ввиду малых размеров нагрева¬
емой области и короткого времени нагрева. При расчетах обычно
используют приближенные решения дифференциальных уравнений
поля численными методами с помощью ЭВМ. На практике часто
невозможно применить аналитические методы решения уравнений
электрического и температурного полей, так как они нелинейны
(физические константы зависят от координат) и граничные условия
весьма сложны (ограниченность размеров контактов и их измене¬
ние во времени). Знание моделей температурного и электрического
полей сварочного контакта и их связи с геометрией ядра и параме¬
трами режима позволяет предложить конкретные способы управле¬
ния процессом сварки с помощью замкнутых систем регулирования.
Изучение зависимости динамики образования сварного соединения
от динамики изменения температурного и электрического полей об¬
условливает требования к быстродействию и закону регулирования
этих систем.
2.4. Характеристика физических процессов в объектах регулирования...
117
Отметим еще одну особенность плавления и кристаллизации ме¬
талла при контактной сварке. При точечной и шовной сварке ско¬
рость нагрева металла иногда достигает нескольких тысяч градусов
к секунду. Нагрев металлических тел сопровождается увеличением
их линейных размеров и объема (дилатометрический эффект). От¬
носительно свободное перемещение металла наблюдается в направ¬
лении оси электродов. Увеличение объема вдоль детали сдерживает¬
ся более холодной массой соседних слоев металла. Таким образом,
увеличение объема металла при нагреве сопровождается возник¬
новением внутренних сил, которые стремятся раздвинуть электро¬
ды на величину А. В машинах обычно подвижен верхний электрод,
и для его перемещения необходимо преодолеть лишь силу трения
и приводе сжатия и силу инерции подвижных частей этого привода.
11еремещение электрода зависит от температуры и степени пласти¬
ческой деформации детали под электродом. Экспериментально до¬
казано, что максимальное значение А характеризует размеры ядра.
Поэтому, измеряя А, можно сформировать сигнал обратной связи
о качестве процесса сварки, если за критерий качества принять тре¬
буемый размер ядра.
При стыковой сварке сопротивлением основной регулируемой
переменной, наиболее полно характеризующей качество сварного
соединения, является размер литого ядра. Непосредственное изме¬
рение размеров ядра в процессе сварки затруднительно, поэтому из¬
меряют косвенные параметры процесса, функционально связанные
с изменением размеров ядра. К таким параметрам относят темпера-
гуру вблизи зоны сварного соединения, сопротивление между элек¬
тродами и перемещение электродов при сварке. Основными регули¬
рующими параметрами процесса служат сила сварочного тока и его
форма, а также сила сжатия электродов.
Стыковая сварка оплавлением. В начале процесса в контакт
вступают твердые поверхности деталей, и их соприкосновение про¬
исходит практически в точке. Затем площадь поверхности сопри¬
косновения резко увеличивается в результате непрерывного отно¬
сительного движения деталей и пластического деформирования
контактирующих неровностей, а также вследствие теплового рас¬
ширения металла в зоне контакта (рис. 2.10, а). Наиболее нагретый
металл контакта начинает оплавляться, формируется жидкая пере¬
мычка (рис. 2.10, б). Объем и форма перемычки не остаются посто¬
янными, они изменяются вследствие плавления металла, движения
жидкой перемычки по поверхности оплавляемых деталей, сжатия
118
Глава 2. Сварочные процессы как объекты регулирования и управления
Рис 2.10. Стадии существования элементарного контакта при стыковой
сварке оплавлением:
а - начальное касание деталей; б - расширение площади контакта с расплавлени¬
ем металла в точке касания; в - образование жидкой перемычки
перемычки электродинамическими силами и выделения паров и га¬
зов из объема перегретого металла. Частота колебаний сопротивле¬
ния в некоторых случаях достигает нескольких килогерц. Если си¬
лы, действующие на перемычку, значительны, то она может быть
вытолкнута за пределы сварочного контакта. Произойдет выброс
металла в сторону от сварочного контура. Как правило, это приво¬
дит к образованию дефектного соединения.
Избежать указанных дефектов можно регулированием изменения
силы тока, протекающего через сварочный контакт. Образование эле¬
ментарных контактов часто сопровождается дуговыми процессами,
устойчивость и вероятность возникновения которых зависит от на¬
пряжения холостого хода сварочного трансформатора. При устойчи¬
вом оплавлении образование и разрушение контактов иногда при¬
обретают регулярный характер, т.е. с разрушением элементарного
контакта возбуждается дуга, которая существует до тех пор, пока
не будет зашунтирована новым образующимся контактом. Характер
этих процессов зависит от типа свариваемого материала, состояния
его поверхности и электрических параметров сварочного контура.
Во время оплавления образование элементарных контактов
не подчинено какому-то определенному закону. Оплавляемая по¬
верхность покрыта кратерами разных размеров, поэтому количество
и размеры одновременно существующих контактов при оплавлении
могут колебаться в широких пределах. Оплавление считают устой¬
чивым, если оно не прерывается и не переходит в короткое замы¬
кание. Однако часто при постоянной или плавно нарастающей ско¬
рости подачи детали оплавление периодически прерывается. Такой
процесс следует также считать устойчивым, поскольку после крат¬
ковременных разрывов сварочной цепи возобновляется оплавление,
не переходящее в неустранимое короткое замыкание.
2.4. Характеристика физических процессов в объектах регулирования...
119
Для получения требуемой зоны разогрева металла во время
оплавления необязательно стремиться к тому, чтобы процесс оплав¬
ления был непрерывным. Достаточно, чтобы он был устойчивым.
В последней стадии, непосредственно перед осадкой, непрерыв¬
ность оплавления желательна, а во многих случаях обязательна для
получения качественного сварного соединения.
Большая часть машин для сварки оплавлением работает с посто¬
янной или плавно нарастающей скоростью подачи одной из оплавля¬
емых деталей. Оплавление может быть в данном случае устойчивым,
если будут созданы условия для саморегулирования (самовыравни-
нания) этого процесса.
В машинах для стыковой сварки оплавлением процесс саморегу¬
лирования можно считать устойчивым, если на заданной скорости вы¬
полняется условие, при котором с увеличением проводимости свароч¬
ного контакта повышается полезная мощность сварочной машины.
По результатам исследований также установлено, что устой¬
чивость оплавления возрастает по мере снижения сопротивления
короткого замыкания машины и увеличения напряжения на свари¬
ваемых деталях. Машины с малым сопротивлением короткого за¬
мыкания обеспечивают устойчивое оплавление деталей большого
сечения при достаточно низких напряжениях холостого хода Uxx
источника питания. Чем ниже значение Uxx при заданной скоро¬
сти оплавления, тем выше термический КПД процесса, температу¬
ра оплавленных деталей и их торцов. Это объясняется тем, что при
уменьшении Uxx увеличивается длительность существования кон¬
тактов - перемычек между торцами и, следовательно, больше тепло¬
ты передается в глубь деталей при нагреве контактов. Кроме того,
при меньшем напряжении снижается интенсивность разрушения
контактов и возрастает количество расплавленного металла, кото¬
рый остается на торцах. Однако чрезмерное снижение Uxx может
привести к нарушению устойчивости оплавления. В этом случае
определенный запас устойчивости оплавления можно обеспечить
применением регуляторов скорости сближения деталей.
При сварке деталей с большой площадью сечения эффектив¬
но применение регуляторов напряжения. С их помощью летко обе¬
спечить кратковременное повышение напряжения в периоды, когда
оплавление протекает неустойчиво, т.е. предотвратить короткое за¬
мыкание цепи. Хорошие результаты при регулировании оплавления
дает применение импульсного режима. При этом способе на основ¬
ное поступательное движение детали, которое совершает подвижный
120 Глава 2. Сварочные процессы как объекты регулирования и управления
зажим сварочной машины, накладываются дополнительные колеба¬
тельные движения частотой в несколько десятков герц. Происходят
периодическое уменьшение зазора между деталями и механическое
разрушение контактов. Уменьшается объем металла, выдавливаемо¬
го при разрыве контактов. Способ разработан в ИЭС им. Е. О. Патона.
Для повышения устойчивости процесса оплавления и увеличения
градиента температур на торцах деталей возможно применение нели¬
нейного закона их сближения (например, параболического). При этом
скорость сближения мала в начале процесса и резко повышается
в конце процесса. Для управления структурой и свойствами металла
в зоне термического влияния, а также для управления мощностью,
расходуемой на процесс оплавления, можно использовать импульс¬
ный предварительный подогрев. Он может быть получен периодиче¬
ским сближением деталей до короткого замыкания, что обеспечивает
протекание через детали импульсов тока длительностью 0,4.. .0,5 с.
Рассмотренная физическая сущность процессов в объекте регу¬
лирования при контактной сварке позволяет уточнить регулируемые
и регулирующие переменные, используемые в дальнейшем в САР
в качестве задающих и управляющих воздействий.
При стыковой сварке оплавлением оценочным параметром каче¬
ства процесса можно считать частоту разрыва жидких перемычек сва¬
рочного контакта. Стабильность частоты разрыва перемычек в зоне
контакта является необходимым и достаточным условием устойчи¬
вости оплавления. В момент разрыва перемычки в контакте наблю¬
даются пульсации сварочного тока, измеряя которые можно получить
информацию о качестве процесса оплавления сварочного контакта.
При этом способе не исключается также контроль за качеством проте¬
кания оплавления по температуре вблизи зоны контакта, по полному
сопротивлению между электродами и по напряжению между ними.
Основные регулирующие параметры процесса - непрерывное,
импульсное или колебательное перемещение подвижной плиты де¬
тали, напряжение между электродами, сочетание обоих параметров.
2.5. Управляющие воздействия и показатели качества
сварочного процесса как объекта регулирования
Дуговая сварка. При дуговой сварке для нагрева и плавления
металла используют тепловую энергию дуги. Сварочный контур
(рис. 2.11) при дуговой сварке включает источник питания, дугу,
2.5. Управляющие воздействия и показатели качества сварочного процесса... 121
сварочную ванну. Все элементы контура с учетом функциональной
связи между ними образуют двухконтурную электрогидродинами-
ческую систему. Воздействие на систему по любому из указанных
на схеме возмущений вызывает одновременное изменение параме¬
тров во всех элементах контура. Например, изменение в процессе
сварки длины дуги вызывает изменение ее динамического сопро¬
тивления, силы тока, напряжения в источнике питания и, как след¬
ствие, энергетического и силового воздействия дуги на сварочную
ванну. Изменяется геометрия сварочной ванны, в частности поло¬
жение зеркала под дугой. В дуге изменяется скрытая составляющая,
что отражается на длине и напряжении дуги. Временной характер
изменения параметров в системе существенно зависит от статиче¬
ских и динамических свойств источника питания. При некотором
сочетании параметров источника питания и дуги контур I может по¬
терять устойчивость, а в контуре II могут появиться незатухающие
автоколебания. Обеспечение стабильного горения дуги в электро-
гидродинамической системе является одним из основных условий
протекания процесса сварки в требуемом режиме.
Под стабильным горением дуги понимается возможность дли¬
тельного ее существования в прерывистом и непрерывном режимах
мри действии на нее возмущений.
Свойства сварочной дуги кроме параметров источника пита¬
ния зависят от рода тока, среды, в которой горит дуга, и материала
электродов.
Дуга является элементом электрической цепи контура I, поэто¬
му устойчивость ее горения зависит от устойчивости электрических
процессов контура I. Условие устойчивости горения дуги можно
считать необходимым требованием стабильности ее горения. Это
Рис 2.11. Структура сварочного контура:
Fh п, Fn и, Fcb - возмущения, действующие на элементы контура
122
Глава 2. Сварочные процессы как объекты регулирования и управления
условие легко получить из уравнения, описывающего электриче¬
ские процессы в контуре I. Для контура, содержащего активное и ин¬
дуктивное сопротивления, его можно записать в виде
кУ =
dU„ ди..
э/ э/
>0,
(2.13)
д JI -I
уд-/дО
ди
где к - коэффициент устойчивости системы источник - дуга; —
> Э/,
ЭС/ИИ
ЭЛ
- динамические сопротивления дуги и источника питания
в рабочей точке /д = /д0.
Для источников питания с обратными связями по току и напря¬
жению условие (2.13) записывают через параметры системы более
сложным выражением. Его получают с использованием критерия
Рауса - Гурвица из анализа коэффициентов характеристического
уравнения системы источник питания - дуга. Из (2.13) следует, что
при падающей ВАХ дуги и источника питания условие устойчиво¬
сти дуги (ку > 0) будет выполнено, если справедливо неравенство.
ди
и.п
>
диЛ
Э/
э/л
д
7Д0
д
Смысл неравенства (2.13) сводится к тому, что в рабочей точке для
устойчивого процесса крутизна внешней ВАХ источника питания
должна быть больше крутизны ВАХ дуги. Например, практически не¬
возможно обеспечить устойчивый процесс горения дуги с падающей
ВАХ, которая питается от источника с жесткой ВАХ. Устойчиво с таким
источником питания могут гореть дуги с возрастающей вольт-амперной
характеристикой, для которых соблюдается условие
>0.
Выполнение условия (2.13) необходимо, но недостаточно для
стабильного горения дуги постоянного тока в реальных условиях
сварки. При сварке различных деталей возможны скачкообразные,
периодические и плавные изменения длины дуги. Следовательно,
дуга должна быть эластичной и обладать необходимым запасом
устойчивости. Для источника питания следует выбирать такую ВАХ,
чтобы при изменениях длины дуги режим сварки не претерпевал из¬
менений, выходящих за допустимые пределы, и обеспечивался не¬
обходимый запас устойчивости системы источника питания - дуга.
2.5. Управляющие воздействия и показатели качества сварочного процесса... 123
В этом плане предпочтительны источники питания с крутопадаю¬
щей ВАХ. Для сварочной дуги переменного тока помимо соблю¬
дения условия (2.13) необходимо обеспечить надежные повторные
возбуждения дуги. Для выполнения этого условия важен правиль¬
ный выбор соотношений между напряжениями холостого хода ис¬
точника питания, зажигания, горения дуги и параметрами сварочной
цепи (активным и индуктивным сопротивлениями).
При сварке возможны длительные, кратковременные и периоди¬
ческие отклонения параметров режима от номинальных значений,
причина которых заключается в действии возмущений на элементы
сварочного контура.
Существенное влияние на процесс сварки могут оказать следу¬
ющие возмущения.
В контуре I: а) изменение длины дуги, вызываемое неровностя¬
ми на поверхности изделия, капельным переносом металла и др.;
б) изменение длины вылета электрода вследствие возможных коле¬
баний расстояния между токоподводящим мундштуком и издели¬
ем; в) изменение напряжения холостого хода (ЭДС) источника пи¬
тания и сопротивления сварочной цепи, вызываемое колебаниями
напряжения сети, нагревом обмоток, нестабильностью контактов
и пр.; г) изменение момента на валу двигателей подачи электрода
и перемещения вдоль стыка сварочного автомата; эти возмущения
приводят к изменению скорости подачи электродной проволоки
и скорости сварки.
В контуре II: а) изменение геометрических параметров сбор¬
ки стыка под сварку (зазора, притупления, угла разделки кромок);
б) структурная и химическая неоднородность свариваемого матери¬
ала; в) изменение толщины свариваемого материала по длине стыка;
г) изменение состояния свариваемой поверхности металла (наличие
на поверхности оксидных пленок, масла и других вредных покры¬
тий); д) эрозия и изменение химического состава электрода в процес¬
се сварки; е) смещение электрода и стыка относительно друг друга.
Перечисленные возмущения, вызывая отклонения от номиналь¬
ных значений основных параметров режима (тока и напряжения ду¬
ги, скорости сварки) и изменяя условия подвода теплоты в зону свар¬
ки, приводят к появлению в шве таких недопустимых дефектов, как
непровары, подрезы, наплывы, поры, перехваты и др.
Известно, что изменение сварочного тока влияет на глубину
и ширину шва, долю основного металла в металле шва. В ряде слу¬
чаев это вызывает также изменение химического состава металла
124
Глава 2. Сварочные процессы как объекты регулирования и управления
шва, а следовательно, его механических свойств и склонности к об¬
разованию горячих трещин.
Изменение напряжения дуги влияет на ширину шва, особенно
на угловых швах, а при сварке стыковых соединений приводит к из¬
менению формы шва, что вызывает непровар кромок, увеличение
усиления и образование наплывов.
Непостоянство скорости сварки влечет за собой изменение по¬
гонной энергии дуги, формы шва, глубины проплавления. При зна¬
чительных изменениях скорости сварки вследствие гидродина¬
мических явлений в сварочной ванне возможно образование пор
и подрезов в сварном шве. Таким образом, качественное сварное со¬
единение в условиях действия возмущений можно получить только
при условии принудительной стабилизации или регулирования па¬
раметров режима в процессе сварки.
Сварочный контур с плавящимся электродом обладает свой¬
ством саморегулирования (самовыравнивания). Это свойство ис¬
пользовано в простейших устройствах для механизированной дуго¬
вой сварки, осуществляющих подачу электродной проволоки в зону
сварки с постоянной скоростью. Для пояснения сущности процесса
саморегулирования дуги обратимся к регулировочным ВАХ дуги
с плавящимся электродом (рис. 2.12).
Чем выше скорость подачи vn электродной проволоки, тем боль¬
ше сварочный ток. Пусть устойчивый режим сварки определяется
точкой Л пересечения кривой устойчивой работы vn2 с ВАХ источ¬
ника питания. Если по каким-либо причинам дуга удлинилась и на¬
пряжение на ней достигло £Уд1 > £/д2, то новое состояние в точке В при
vn = vn2 оказывается неустойчивым.
Новому электрическому режиму горения дуги в точке В в стаци¬
онарном режиме должна соответствовать другая скорость плавления
(v = vn]) электродной проволоки. Эта скорость плавления при /д1 < /д2
меньше скорости подачи электрода vn2, что следует из сопоставления
Рис 2.12. Характеристики устойчивой
работы с разной скоростью подачи элек¬
трода v и статическая характеристика
источника питания
2.5. Управляющие воздействия и показатели качества сварочного процесса... 125
линий vn| - vn3. Скорость изменения дугового промежутка в этом слу¬
чае dl ldt-v - v
Д э п2
Поскольку v3 < vn2, дуговой промежуток сокращается; напряже¬
ние на дуге падает до тех пор, пока опять не наступит равенство
скоростей плавления и подачи. Таким образом, восстанавливается
режим, соответствующий точке А. При случайном укорочении дуги
увеличение силы тока сопровождается повышением скорости плав¬
ления электрода, приводящим вновь к восстановлению дугового
промежутка.
Однако не все виды возмущений могут быть отработаны системой
саморегулирования. Например, быстротечные изменения длины ду¬
гового промежутка, вызванные капельным переносом электродного
металла, саморегулирующейся системой не отрабатываются вслед¬
ствие сравнительно высокой частоты перехода капель. Не хватает бы¬
стродействия системы. Изменение вылета электрода приводит к сме¬
щению регулировочной характеристики в сторону меньших токов,
если вылет увеличивается, и в сторону больших токов, если вылет
уменьшается.
При сварке переменным током большое влияние на режим свар¬
ки в саморегулирующейся системе оказывают колебания напряже¬
ния сети, приводящие к изменению напряжения на дуге. Эти из¬
менения особенно значительны в тех случаях, когда рабочая точка
располагается на крутопадающей части внешней характеристики
источника питания. Сила тока в сварочном контуре при этом изме¬
няется незначительно.
В некоторых случаях на точность работы саморегулирующей¬
ся системы влияет изменение сопротивления сварочной цепи, осо¬
бенно его реактивной составляющей. Следовательно, саморегули¬
рующаяся система с удовлетворительной точностью отрабатывает
продолжительные возмущения по длине дуги, но неэффективна при
возмущениях по напряжению сети, длине вылета электрода и со¬
противлению сварочного контура. Отсюда ясна необходимость вве¬
дения принудительного регулирования энергетических параметров
(тока, напряжения) сварочного контура.
При возмущениях группы F hhF п (см. рис. 2.11) принудитель¬
ные управляющие воздействия могут быть реализованы путем изме¬
нения скорости подачи электрода и параметров электрической цепи
сварочного контура (напряжения холостого хода источника пита¬
ния, сопротивления сварочной цепи, вылета электрода). Управляю¬
щие воздействия прямо пропорциональны сигналу рассогласования
126
Глава 2. Сварочные процессы как объекты регулирования и управления
между заданными силой тока и напряжением в сварочном контуре
и их текущими значениями.
Построенные по такому принципу САР малоэффективны в рабо¬
те при возмущениях группы F в * 0, приложенных непосредственно
к объекту регулирования - сварочной ванне. Векторный параметр F в
включает в качестве компонентов группу технологических возму¬
щений для контура II. Под влиянием этих возмущений в сварочной
ванне изменяется топология температурного поля и, как следствие,
геометрические размеры шва при кристаллизации.
Принудительное регулирование сварочного процесса в этом слу¬
чае можно организовать путем контроля температурного поля сва¬
рочной ванны, закристаллизовавшегося шва и околошовной зоны.
Перспективно управление процессом по идентифицированным мо¬
делям, связывающим температуру в точках объекта (сварочной ван¬
ны, шва), параметры режима сварки и технологические критерии
качества (геометрические, механические, коррозионные характери¬
стики шва и изделия).
Для измерения температуры на поверхности шва и сварочной
ванны целесообразно использовать бесконтактные датчики, дей¬
ствие которых основано на измерении интенсивности излучения
с поверхности металла. Применение контактных датчиков (напри¬
мер, типа скользящей термопары, одной ветвью которой является
ролик, катящийся по поверхности металла, а другой - сваривае¬
мый металл) вызывает большие погрешности вследствие инерци¬
онности и непостоянства контакта между датчиком и металлом.
Благодаря бесконтактным датчикам можно приблизить точку из¬
мерения температуры к сварочной дуге. Однако при чрезмерном
сближении площадки визирования со сварочной дугой полезный
сигнал датчика «забивается» помехами, вызванными прямым или
отраженным излучением дуги. В этом отношении иногда удобен
вариант размещения площадки визирования с обратной стороны
шва.
Используя перемещаемые вдоль и поперек шва фотоэлектриче¬
ские датчики, можно получить информацию о распределении темпе¬
ратуры по поверхности объекта регулирования. В этом случае удает¬
ся более корректно поставить задачу стабилизации температурного
поля объекта или управления им по заданному закону в случае сим¬
метричных конструктивных и технологических возмущений.
Сигнал, пропорциональный температуре объекта, исполь¬
зуют в качестве обратной связи для управления электрической
2.5. Управляющие воздействия и показатели качества сварочного процесса... 127
мощностью дуги. При этом тепловая мощность сварочной дуги
не стабилизируется на заданном уровне, а изменяется в зависимо¬
сти от конструктивных и технологических возмущений так, чтобы
стабилизировать температурное поле объекта. Менее удовлетво¬
рительные результаты такого регулирования получаются в случае
несимметричных конструктивных и технологических возмущений;
часто бывает недостаточно измерить температуру в одной точке
объекта. Неэффективны и одноконтурные САР, например с регули¬
рующим воздействием по току. В этих случаях при построении САР
приходится оперировать и другими параметрами режима (измене¬
нием скорости подачи плавящегося электрода или присадочной
проволоки, параметрами поперечных колебаний электрода, сме¬
щением электрода и линии стыка и т.д.). Таким образом строятся
комбинированные САР геометрических и физических параметров
объекта (сварочной ванны).
Требования к сварочным свойствам источников питания при ду¬
говой сварке. В технологическом процессе дуговой сварки источник,
воздействуя на дугу, выполняет следующие основные функции:
• обеспечивает зажигание дуги;
• поддерживает устойчивое горение дуги;
• используется для настройки (регулирования) режима.
Кроме того, источник, опосредованно (через дугу) воздействуя
на шов, способствует уменьшению разбрызгивания электродного
металла и качественному формированию шва.
Качество выполнения перечисленных функций зависитотустрой-
ства и электрических характеристик источника питания. При разра¬
ботке и выборе источника важно знать, хорошо ли он выполняет эти
функции, как влияет на качество сварки; иными словами, какими сва¬
рочными свойствами он обладает. Помимо источника питания на ка¬
чество сварки влияют квалификация сварщика, свойства сварочных
материалов, а также внешние условия сварки. В связи с этим испы¬
тания сварочных свойств следует проводить при прочих благоприят¬
ных или четко регламентированных стандартом условиях.
Сварочное свойство источника - зависящее от его электриче¬
ских параметров качество выполнения одной из функций, связан¬
ных с обеспечением технологического процесса сварки.
Рассмотрим сварочные свойства источника.
1. Надежность зажигания дуги является важным свойством ис¬
точника питания, поскольку влияет на качество начального участка
шва, а при сварке короткими швами - и на производительность.
128 Глава 2. Сварочные процессы как объекты регулирования и управления
Критерий оценки - число попыток до первой успешной.
Оценки: плохая (редкое зажигание или его отсутствие), низкая
(зажигание после многократных соприкосновений электрода с из¬
делием и привариваний электрода), удовлетворительная (зажигание
после трех-четырех соприкосновений), хорошая (зажигание после
легкого движения по металлу), высокая (зажигание после прикосно¬
вения электрода к изделию).
2. Устойчивость и стабильность процесса сварки непосредственно
влияет на качество шва, постоянство его ширины и глубины проплав¬
ления. Устойчивость оценивается в несколько этапов. Прежде всего
имеет значение принципиальная устойчивость энергетической систе¬
мы источник - дуга, т. е. способность источника поддерживать непре¬
рывное горение дуги при малых возмущающих воздействиях. Если
обеспечена устойчивость «в малом», оценивают устойчивость «в боль¬
шом», т. е. при значительных колебаниях длины дуги и напряжения се¬
ти. При сварке плавящимся электродом рассматривают устойчивость
процесса при коротких замыканиях каплями электродного металла.
Критерии оценки - частота обрывов, вибрация дуги, звуковой
эффект.
Оценки: плохая (неустойчивое горение дуги с частыми обрыва¬
ми), низкая (неравномерно горящая, вибрирующая дуга с редкими
обрывами), удовлетворительная (неравномерно горящая, вибрирую¬
щая дуга без обрывов), хорошая (равномерно горящая дуга с незна¬
чительной вибрацией и хрустящим шумом (треском)), высокая (спо¬
койно, равномерно горящая дуга без вибрации (мягкое шипение)).
3. Устойчивость при значительном удлинении дуги.
Критерии оценки - разрывная длина дуги, реакция на растяже¬
ние дуги.
Оценки: плохая (при попытке удаления дуга сразу обрывается),
низкая (приходится постоянно поддерживать короткую дугу, при
незначительном удлинении дуга обрывается), удовлетворительная
(дуга удлиняется до двойного диаметра стержня электрода при за¬
метном изменении интенсивности расплавления электрода), хоро¬
шая (дуга удлиняется до тройного диаметра стержня электрода при
небольшом изменении интенсивности расплавления электрода), вы¬
сокая (дуга удлиняется до тройного (или более) диаметра стержня
электрода при практически неизменной интенсивности расплавле¬
ния электрода).
4. Эффективность регулирования (настройки) параметров ре¬
жима характеризует источник питания потому, что его регулятором
2.5. Управляющие воздействия и показатечи качества сварочного процесса... \ 29
настраиваются обычно сила тока или напряжение дуги, влияющие
на производительность и качество сварки.
5. Характер переноса электродного металла в той степени, в которой
зависит от источника, определяется параметрами режима, но особенно
связан с силой тока и скоростью его изменения при технологических
коротких замыканиях каплями электродного металла с поверхностью
сварочной ванны. Желателен струйный или мелкокапельный перенос
без чрезмерного разбрызгивания электродного металла.
Критерии оценки-разбрызгивание металла, размер и число капель.
Оценки: плохая (очень много крупных трудноудаляемых брызг
близи шва), низкая (много крупных трудноудаляемых брызг близи
шва), удовлетворительная (умеренное количество крупных и мелких
легкоудаляемых брызг близи шва), хорошая (мелкие брызги, равно¬
мерно распределенные вблизи шва), высокая (мало брызг на поверх¬
ности образца).
6. Качество формирования шва зависит от источника косвен¬
но и в большей степени связано с устойчивостью и стабильностью
процесса сварки. Если процесс неустойчив, то в результате частых
обрывов дуги получается неровный шов. В случае устойчивого,
но нестабильного (по силе тока и напряжению) процесса также на¬
блюдается непостоянство размеров шва, хотя и в меньшей степени,
чем при неустойчивом процессе.
Критерии оценки - равномерность валика по ширине и высоте,
чешуйчатость, наличие шлаковых включений и пор.
Оценки: плохая (валик неравномерный по ширине и высоте,
крупночешуйчатый, с видимыми шлаковыми включениями и по¬
рами), низкая (валик неравномерный по ширине и высоте, круп-
I ючешуйчатый), удовлетворительная (валик крупночешуйчатый,
с отдельными неровностями по высоте и превышениями по кром¬
ке шва), хорошая (валик мелкочешуйчатый, с редкими небольшими
неровностями по высоте и небольшими превышениями по кромке
шва), высокая (валик равномерный, гладкий или мелкочешуйчатый,
с плавными переходами к основному металлу).
Критерии оценки сварочных свойств могут быть непосредствен¬
ными и косвенными. Если оценка проводится по качественным и ко¬
личественным характеристикам дуги и шва, то критерий называют
непосредственным, или технологическим. Например, характер пе¬
реноса электродного металла оценивают по значению коэффици¬
ента потерь на разбрызгивание. Иногда источник оценивают по его
собственным электрическим параметрам, существенно влияющим
130
Глава 2. Сварочные процессы как объекты регулирования к управления
на качество сварки. В этом случае говорят о косвенном критерии.
К ним относят, например, скорость нарастания сварочного тока при
повторном зажигании дуги переменного тока.
Различают объективный и субъективный методы оценки. Объек¬
тивный метод предполагает количественную оценку свойства, не за¬
висящую от квалификации и мнения сварщика. Например, разрыв¬
ная длина дуги, измеряемая в миллиметрах, может использоваться
для оценки устойчивости процесса при значительных колебаниях
длины дуги. Субъективный метод предусматривает качественную
оценку каждого свойства, в лучшем случае в баллах, которые вы¬
ставляет сварщик-эксперт по результатам экспериментальной свар¬
ки или наплавки.
Оценку сварочных свойств источников выполняют в соответ¬
ствии с ГОСТ 25616-83. При испытании источников для ручной ду¬
говой сварки принята методика субъективной оценки по непосред¬
ственным критериям. В этом случае сварщик на нескольких режимах
выполняет наплавку валика в нижнем или вертикальном положении
на пластину из низкоуглеродистой стали электродами с основным
или рутиловым покрытием. В процессе наплавки или после нее свар¬
щик выставляет оценки в баллах по приведенным выше критериям.
Стандартом предусмотрено, что комплексная оценка источника по¬
лучается суммированием баллов. Так, максимальная комплексная
оценка источника для ручной дуговой сварки может быть не более
25 баллов. Однако этот подход не учитывает, что в конкретных ус¬
ловиях сварки значимость того или иного сварочного свойства раз¬
лична. Например, при монтаже металлоконструкций здания боль¬
шое значение имеют надежное зажигание и эластичность дуги, при
этом на повышенное разбрызгивание почти не обращают внимания.
При сварке высокопрочных сталей высокие требования предъявля¬
ют к качеству и форме шва.
Если в системе источник - дуга обеспечена устойчивость в ши¬
роком диапазоне возмущений, имеет смысл оценивать стабильность
параметров режима. Отклонения тока от заданного значения влия¬
ют на глубину, ширину и высоту шва, на долю основного металла
в шве. При увеличении тока глубина провара возрастает, что может
привести к прожогам; при уменьшении тока возможен непровар кор¬
ня шва. Отклонения напряжения дуги вызывают пропорциональные
изменения ширины шва.
Возмущения, нарушающие стабильность параметров режима, мо¬
гут иметь периодический, импульсный и скачкообразный характер.
2.5. Управляющие воздействия и показатели качества сварочного процесса... 1 31
Так, периодические флуктуации проводимости дуги, вызванные
хаотическим движением катодного и анодного пятен по поверхности
электрода и детали, приводят к высокочастотным (200...2 000 Гц)
колебаниям тока, практически не влияющим на формирование шва,
но ответственным за звуковой эффект дуги. Периодические колеба¬
ния напряжения источника с частотой сети 50 Гц (или кратной ей
частотой 100, 150, 300 Гц) вызывают пропорциональные колебания
тока с малой амплитудой, не отражающиеся на форме шва.
Импульсные всплески тока частотой 100... 150 Гц при техно¬
логических коротких замыканиях также не вызывают изменения
глубины проплавления вследствие высокой тепловой инерционно¬
сти ванны, но капельный перенос, разумеется, оказывает влияние
на внешнюю чешуйчатость шва. Экспериментально установлено,
что глубина проплавления изменяется при периодических отклоне¬
ниях тока частотой менее 1 Гц и импульсных отклонениях длитель¬
ностью более 1 с. Глубина проплавления изменяется также при скач¬
кообразном отклонении тока, имеющем длительный характер, если
возмущение не отрабатывается системой полностью.
Стабильность параметров режима принято оценивать значением
среднего квадратического отклонения тока (или напряжения)
где /д - текущее значение тока дуги в /-й момент времени; / - сред¬
нее значение тока дуги за п изменений.
Для сопоставления различных источников и режимов по их ста¬
бильности используют коэффициент вариации параметра в виде от¬
ношений средних квадратических отклонений тока к среднему зна¬
чению тока при сварке, %:
К у, =^-.100.
^д.ср
Например, у лучших источников для механизированной сварки
и углекислом газе коэффициент вариации тока не превышает 35%,
и коэффициент вариации напряжения - менее 30%.
Электронно-лучевая сварка. Для контроля качества ЭЛС ис¬
пользуют прямые показатели качества: геометрические размеры
и сплошность сварного шва, его расположение относительно поверх¬
ности сопряжения свариваемых деталей. Вариации параметров режи¬
ма сварки наиболее четко отражаются на изменении геометрических
132
Глава 2. Сварочные процессы как объекты регулирования и управления
размеров шва. Кроме того, механические характеристики шва и ве¬
роятность появления в нем дефектов находятся в определенной свя¬
зи с формой поперечного сечения шва. Поэтому при оценке качества
швов прежде всего определяют их глубину Н и ширину В (рис. 2.13).
Для контроля и автоматического регулирования качества сварки
используют параметры физических процессов, сопровождающих
ЭЛС: ток эмиссии /эм и ионный ток /и из области сварки; ток через
свариваемую деталь / , тепловое излучение Е из области сварки,
сквозной ток через свариваемую деталь /скв и др.
г
En(Un)
5S
<и
п
X (Щ )ОК )
(U
К
в
2
^фок(/ф ок)
гп(^фок)
о,
£
V.
Г
Ьу
а
Он
С
tc
<L>
vg
О
В
>4
S
СП
О
СО
V.
Н(х)
В (лг, z)
Подрезы
Выпуклость шва
Непровар
Поры
Пустоты
Трещины
Провисание
корня шва
и
и
^скв
^дет
Е
Электромагнитное
излучение
Рентгеновское
излучение
Акустическое
излучение
Выделение
паров
(D
3
os;
D.
С
J
и
S
са
н
0
<L>
1
>
<D
я
X
I
3
СО
J J
Рис 2.13. Система электронно-лучевая установка - пучок электронов -
сварной шов как объект управления
2.5. Управляющие воздействия и показатели качества сварочного процесса... 133
К управляющим воздействиям относят: Un - ускоряющее напряже¬
ние; /п - ток пучка электронов; асх - угол сходимости пучка, который
регулируется изменением тока /фок и напряжения Яфок фокусирующей
линзы; /гфок - расстояние от поверхности свариваемой детали до наи¬
меньшего сечения пучка; гп - радиус пучка электронов. Наибольшее
влияние на качество сварки оказывают /. , г , а и h, . Режим сварки
Г фок7 и7 сх фок *
задают параметрами/п и усв. Во многих сварочных установках имеется
возможность регулировать ускоряющее напряжение £/п, однако обыч¬
но устанавливают максимально возможное значение Un.
К возмущающим воздействиям при ЭЛС можно отнести: Ау -
смещение оси пучка электронов относительно свариваемого стыка;
Ф - угол наклона пучка к поверхности сопряжения свариваемых де¬
талей; Гдет - температуру свариваемых деталей; 8дет - ширину зазора
между свариваемыми деталями.
Цель автоматического управления процесса ЭЛС - обеспечить
экстремум обобщенного показателя эффективности С(лг, у, z). Для
этого необходимо иметь возможность измерять выходной вектор
состояния объекта у, векторы управления х, вектор возмущений z
и знать вид функционала С(дс, у, z). В настоящее время практиче¬
ски решена лишь частная проблема управления ЭЛС - автомати¬
ческое регулирование процесса, предусматривающее (вместо оты¬
скания экстремума обобщенного показателя эффективности С)
стабилизацию или программное изменение отдельных составляю¬
щих^,;^, ...9ут вектора С(лг,у, z), которые характеризуют качество
ЭЛС в условиях действия возмущений z.
Для управления процессом ЭЛС необходимо иметь его матема¬
тическую модель, связывающую выходные переменные у с регули¬
рующими л: и возмущающими z воздействиями. Наиболее известны
модели, в которых в качестве выходной переменной принята глуби¬
на проплавления Я.
Так, для оценки глубины проплавления при ЭЛС используют
выражение
иа'Г2
Я = я0^-^, (2.14)
° у"3 г"4
СВ п
где а-аА - показатели, зависящие от свариваемого материала и сва¬
рочной установки (получены экспериментально).
Формула (2.14) отражает статическую связь между параметрами
режима (t/ , 7 , г , vcb) и выходной переменной Я.
134
Глава 2. Сварочные процессы как объекты регулирования и управления
Коэффициенты а() - а4 определяют на образцах-свидетелях при
экспериментальных сварках. В этом заключается определенный не¬
достаток модели, которая к тому же не учитывает динамику про¬
цессов проплавления в канале. Для устранения недостатка модели
рассмотрим закон управления глубиной проплавления при исполь¬
зовании динамической модели с набором передаточных функций,
связанных выражением
Н(р)/1(р) = Щр)[Щр) + Щр)], (2.15)
гдер - оператор Лапласа; 1(р) - изображение по Лапласу регулирую¬
щего воздействия x(t), например тока пучка / , ускоряющего напря¬
жения Uu или тока фокусирующей линзы / ; Wx(p) = k{ /(1 + /?т(Ф),
W2(p) = k2/(l + рт2Ф), W2(p) - kv k{ = 1 (k]9 k2 k2 - коэффициенты
передачи с передаточными функциями Wr W2 и W2 соответственно;
т,, т2 - постоянные времени модели, отражающие инерционность
процесса проплавления при ЭЛС, со значениями от 10“2 до 10_|).
Функция Ф показывает, что при углублении канала он ведет себя
как инерционное звено и становится безынерционным при сбросе
регулирующего воздействия, т. е.
Ф = 1 при А/п > 0 и Ф = 0 при Д/м < 0.
Структура динамической модели ЭЛС, записанной через ком¬
бинацию передаточных функций W^p) - W2(p) в виде отношения
Н(р)Ип(р\ отражает динамику изменения глубины проплавления
при ступенчатом изменении тока электронного луча.
При скачке управляющего воздействия (тока пучка /п) глубина
проплавления Н увеличивается по экспоненте с постоянной време¬
ни тг В дальнейшем темп углубления проплавления резко уменьшает¬
ся и нарастание глубины проплавления до установившегося значения
происходит с постоянной времени т2. При ступенчатом уменьшении
регулирующего воздействия глубина проплавления устанавливается
практически безынерционно. Такое поведение канала проплавления
является спецификой ЭЛС с «кинжальным» проплавлением. Углубле¬
ние шва происходит инерционно, так как связано с нагревом до рас¬
плавления и перемещением определенного объема металла. Массы
жидкого металла на передней стенке и дне парогазового канала, об¬
разующегося в свариваемом металле при воздействии на него пучка
электронов с высокой плотностью энергии, малы. Поэтому исклю¬
чение перегрева жидкого металла сварочной ванны после снижения
мощности внешнего источника не сопровождается дополнительным
расплавлением основного металла (как при дуговой сварке).
2.5. Управляющие воздействия и показатели качества сварочного процесса... 135
Аналогичные передаточные функции можно получить и для
описания динамики изменения глубины проплавления от изменения
скачком амплитуды поперечного отклонения луча и других параме¬
тров режима.
Параметры режима сварки, установленные исходя из условия
получения заданного качества сварного шва, не удается выдержать
даже для одного протяженного шва и тем более при поочередной
сварке различных заготовок. Причина этого - действие различных
возмущений на сварочную установку. Так, напряжение питающей
сети может изменяться на ±15% номинального значения. Темпера¬
тура элементов электронно-лучевой установки (ЭЛУ) и электрон¬
ных схем управления может изменяться вследствие саморазогрева
на 50 °С и более. Изменяются эмиссионная способность катода элек¬
тронно-лучевой пушки и ее оптические характеристики в результате
изнашивания катода вследствие ионной бомбардировки и осажде¬
ния на нем паров свариваемого металла, при переборке пушки для
замены катода. Внутреннее сопротивление источника ускоряющего
напряжения - причина изменения ускоряющего напряжения при ре¬
гулировании тока пучка электронов. В результате рабочее ускоря¬
ющее напряжение отличается от значения установленного на холо¬
стом ходу.
Вследствие всех этих возмущений могут изменяться ток пучка
электронов, энергия ускоренных электронов, положение наимень¬
шего сечения пучка, углы его схождения и расхождения, распреде¬
ление плотности тока по сечению, скорость сварки. В целях исклю¬
чения влияния перечисленных возмущений на качество сварного
соединения необходимо автоматически стабилизировать заданные
параметры режима сварки. Для этого применяют локальные авто¬
матические регуляторы параметров режима ЭЛС, позволяющие ис¬
ключить влияние на качество ЭЛС тех возмущений, которые воздей¬
ствуют на параметры режима, а именно колебания напряжения сети,
температуры установки и т. п.
Контактная сварка. Объект автоматического управления при
контактной сварке - технологический процесс, который характери¬
зуется электрическими и тепловыми полями, а также пластически¬
ми деформациями в зоне сварки.
Управляющие и возмущающие воздействия, определяющие
формирование сварного соединения, прикладываются к сварочной
машине и непосредственно к зоне сварки. Основные параметры про¬
цесса точечной и шовной сварки: /св - сварочный ток; /св - время
136
Глава 2. Сварочные процессы как объекты регулирования и управления
сварки; /и, tn - длительности импульса и паузы между импульсами
сварочного тока для шовной сварки; F в - сила сжатия электродов
при сварке; размеры рабочей поверхности электродов и роликов.
Режим шовной сварки характеризуется скоростью перемещения vcb
свариваемых деталей.
Обеспечение необходимого уровня показателей качества сварных
соединений и прежде всего их прочности требует задания и поддер¬
жания установленных значений большинства параметров режима
сварки с точностью не менее ±5%. Так, снижение / в на 10% может
привести к уменьшению диаметра ядра и соответственно прочности
соединений при сварке сталей на 20...25% номинального значения.
Такие параметры, как сварочная и ковочная сила сжатия электродов,
допускают изменение в пределах 10... 15% номинальных значений
без существенного ухудшения качества сварных соединений.
Сварочный ток / в - один из основных параметров, определяю¬
щих режим сварки и качество сварного шва.
Способ амплитудного задания и регулирования / в заключается
в изменении его действующего значения при переключении ступе¬
ней 7, 2 сварочного трансформатора (рис. 2.14, а) или изменении на¬
пряжения зарядки JJ батареи конденсаторов при конденсаторной
сварке (рис. 2.14, б).
Наиболее распространен способ фазового регулирования дей¬
ствующего значения тока при изменении фазы включения вентиль¬
ного (тиристорного) контактора (рис. 2.14, в).
Рис. 2.14. Задание сварочного тока:
а - амплитудное регулирование при переключении ступеней 7, 2 сварочного
трансформатора; б - амплитудное регулирование при конденсаторной свар-
ке (U , > £7 ); в - фазовое регулирование (а, > а2, /', > /,)
2.5. Управляющие воздействия и показатели качества сварочного процесса... 137
Рис. 2.15. Задание времени сварки:
и - при сварке на переменном токе (/, > ?,); б - при однополупериодной сварке
((X! > ос,, tx > /,); в - при изменении зарядной емкости (С, > С2, /, > /,); г - при изме¬
нении коэффициента трансформации (k2 >kvt2>tx)
Время сварки /св в сварочных машинах переменного тока задают
мри включении вентильного (тиристорного или игнитронного) кон¬
тактора, оно кратно числу периодов питающей сети (рис. 2.15, а).
При однополупериодной сварке продолжительность импуль¬
са /св можно регулировать изменением фазы напряжения, управляю¬
щего включением вентилей (рис. 2.15, б). При конденсаторной свар¬
ке длительность импульса тока зависит от емкости конденсаторов С
(рис. 2.15, в) и коэффициента трансформации сварочного трансфор¬
матора к (рис. 2.15, г).
Силу сжатия Fb электродов при механическом приводе уста¬
навливают с помощью грузов, пружин и систем рычагов, а при пнев¬
матическом и пневмогидравлическом приводах регулируют редук¬
торами давления. Если сварочная машина имеет электромагнитный
привод сжатия, то сила сжатия электродов определяется током в об¬
мотке электромагнита. Для автоматизации процесса наиболее удо¬
бен электромагнитный привод, применяемый только для машин ма¬
лой мощности.
Чаще применяют ступенчатое регулирование давления в пнев¬
матическом или пневмогидравлическом приводе (рис. 2.16), обес¬
печивая необходимый цикл предварительного сжатия деталей с си¬
лой Fnc в течение времени tx - tv сжатия с силой Fcb в процессе
прохождения сварочного тока t2 - /3 и сжатие с повышенной силой
138
Глава 2. Сварочные процессы как объекты регулирования и управления
Рис. 2.16. Циклограмма работы сварочной машины:
операция сжатия; t2 - Л - операция сварки; /3 - /4 - операция ковки; /4 - /, -
пауза
Fkob во время ковки /3 - /4. Такой цикл задают включением в момен¬
ты времени tx - /4 электропневмоклапанов, обеспечивающих подачу
воздуха в определенные камеры привода сжатия.
Размеры рабочей поверхности электродов (их диаметр при то¬
чечной сварке, радиус заточки и ширина рабочей поверхности роли¬
ков при шовной сварке), существенно влияющие на размеры сварно¬
го шва, задают перед сваркой.
Задание и стабилизация управляющих воздействий с требуе¬
мой точностью еще не гарантируют получение сварных соединений
с необходимыми прочностными характеристиками, так как в резуль¬
тате влияния различных возмущений процесс сварки протекает в ус¬
ловиях, отличных от номинальных.
На сварочную машину, включая тиристорный контактор и регу¬
лятор цикла сварки, действуют следующие возмущения: колебания
напряжения питающей сети £/; изменение сопротивления вторич¬
ного контура машины (активного /?к и индуктивного Хк = wL); из¬
менение силы сжатия электродов вследствие изменений давления
в воздушной сети рс или сил трения в приводе сжатия; изменение
геометрических размеров рабочей поверхности электродов (диаме¬
тра электрода J при точечной сварке и ширины ролика при шовной
сварке); изменение скорости при шовной сварке. К возмущениям,
действующим непосредственно на сварное соединение, относят из¬
менения толщины (или других размеров) свариваемых деталей 8дет;
изменение сопротивления контакта деталь - деталь /?дет вследствие
наличия различных оксидных пленок; шунтирование сварочного
тока ранее сваренными точками (в зависимости от шага /ш между
2.5. Управляющие воздействия и показатели качества сварочного процесса... 139
ними) или случайными контактами вследствие неровностей свари¬
ваемых листов Г| и т. п.
Кроме перечисленных возможны и другие возмущения, которые
ввиду малости в меньшей степени влияют на процесс (например, из¬
менение теплофизических свойств и химического состава металла, из¬
менение режима охлаждения электродов и др.).
Возмущения, оказывая различное влияние на отдельные стадии
процесса сварки, параметры режима и работу сварочной машины,
приводят к нарушению условий образования сварного соединения
и ухудшению его качества.
Колебания напряжения питающей сеты - возмущение, дей¬
ствующее на сварочную машину. В соответствии с законом Джоу¬
ля - Ленца количество теплоты, выделяющейся при точечной кон¬
тактной (шовной) сварке,
Q = k
И, (О
т
dt,
где к - коэффициент пропорциональности; u^t) - мгновенное на¬
пряжение между электродами, изменение которого непосредствен¬
но связано с колебаниями напряжения сети Uс; R(t) - сопротивление
зоны сварки.
Наиболее опасно уменьшение напряжения питания, приводящее
к непровару и соответствующей потере прочности сварной точки.
11ри повышении напряжения f/ могут возникать выплески жидкого
металла, прожоги и т. п. Значение U в течение суток может изменяться
плавно или скачкообразно (при подключении мощных потребителей
энергии). Кратковременные изменения напряжения могут колебаться
от -25 до +15% номинального значения U . Эти изменения суще-
ственно влияют на процесс сварки и могут в значительной степени
снизить качество сварных соединений. Кроме того, колебания t/ вли¬
яют на стабильность работы блоков управления, что приводит к на¬
рушению заданного цикла сварки.
Изменение сопротивления вторичного контура сварочной маши¬
ны (активного и индуктивного) в процессе сварки или в течение сме¬
ны приводит к изменениям сварочного тока и выделяющейся в зоне
сварки энергии, что влияет на качество сварки. Изменение активно¬
го сопротивления обусловлено нагревом и износом то ко ведущих ча¬
стей сварочного контура, ослаблением или окислением контактов,
140
Глава 2. Сварочные процессы как объекты регулирования и управления
особенно в местах болтовых соединений, а также скользящих контак¬
тов в шовных машинах.
При введении ферромагнитных масс в контур машины возраста¬
ет индуктивное, активное и, следовательно, полное сопротивление
контура. Это объясняется увеличением активных потерь на гистере¬
зис и вихревые токи. Особенно значительное повышение сопротив¬
ления контура и, следовательно, снижение тока наблюдаются при
сварке изделий, которые надевают на хобот машины, например при
сварке обечаек из ферромагнитных материалов. Изменение активно¬
го и индуктивного сопротивлений контактных машин - одно из наи¬
более опасных возмущающих воздействий, часто встречающихся
в производственных условиях.
Изменение силы сжатия электродов в сварочных машинах, име¬
ющих пневматический и пневмогидравлический привод сжатия, за¬
висит от колебаний давления в пневмосистеме и влияет на сопротив¬
ление свариваемых деталей и пластическую деформацию металла
в зоне сварки. При повышении давления увеличивается площадь
соприкосновения электрода с деталью, что влечет за собой умень¬
шение плотности тока и приводит к непровару. Снижение давления
сопровождается увеличением сопротивления зоны сварки; при этом
повышаются вероятность появления выплесков и разброс прочност¬
ных свойств соединения.
Существенное возмущающее воздействие, которое влияет на си¬
лу сжатия электродов, - это изменение силы трения в подвижных
частях привода сжатия вследствие изнашивания механизмов. Как
правило, оно приводит к уменьшению силы сжатия электродов.
Изменение размеров рабочей поверхности электродов происхо¬
дит вследствие естественного изнашивания. Степень износа зави¬
сит от многих факторов: режима сварки, свариваемого материала,
чистоты его поверхности, интенсивности охлаждения, стойкости
материала, из которого изготовлены электроды, и т. п. В результате
изнашивания электродов увеличивается площадь контактной по¬
верхности, уменьшаются плотность тока и размеры литого ядра, что
приводит к непровару.
Изменение сопротивления свариваемых деталей вследствие
отклонений в условиях обработки их поверхностей может проис¬
ходить от образца к образцу и от одной партии изделий к другой.
Это особенно заметно на материалах, покрытых оксидными плен¬
ками. Сопротивление свариваемых деталей может изменяться так¬
же вследствие изменения толщины листов или диаметра круглых
2.5. Управляющие воздействия и показатели качества сварочного процесса... 141
заготовок, например прутков или проволоки. Разброс значений со¬
противления деталей приводит к изменению тепловыделения в зоне
сварки и, как следствие, к значительному разбросу прочностных ха¬
рактеристик сварных швов.
Шунтирование сварочного тока наблюдается прежде всего при
последовательной постановке точек. В этих условиях ток, проте¬
кающий через свариваемую точку, может изменяться вследствие
ответвления некоторой части тока через ранее сваренные точки.
Кроме того, ответвление тока может происходить через контакты,
образуемые, например, неровностями поверхности свариваемых
листов.
Суммарное значение тока во вторичном контуре изменяется
вследствие шунтирования незначительно, однако сварочный ток,
протекающий непосредственно через свариваемую точку, может
снижаться до недопустимого уровня. С увеличением толщины де¬
талей и уменьшением отношения шага точек к их диаметру степень
шунтирования возрастает.
Анализ основных возмущений при точечной (шовной) сварке
показывает, что качество сварки и ее основной показатель - проч¬
ность сварного шва - могут значительно снизиться при действии
возмущений на сварочную машину и зону сварки. При относитель¬
но низком уровне отдельных возмущений одновременное воздей¬
ствие на объект в случае их неблагоприятного сочетания также мо¬
жет привести к недопустимому снижению качества сварки. Этим
можно объяснить периодическое появление дефектных соединений
даже при строгом соблюдении технологии сварки.
Степень влияния и вероятность проявления рассмотренных
возмущений различны и могут по-разному отражаться на качестве
сварных соединений в зависимости от условий сварки, строгости
соблюдения технологической дисциплины, степени износа обору¬
дования и т. п. Так, наиболее часто встречающееся и трудно устра¬
нимое возмущение - это колебание напряжения сети, в то время как
изменения сопротивления сварочного контура при надлежащей экс¬
плуатации оборудования и сварке немагнитных материалов могут
быть легко устранены.
Количественная оценка степени влияния на качество сварки раз¬
личных возмущений (и любых других параметров), которые подда¬
ются измерению или расчету в процессе сварки, может быть дана
на основе экспериментально-статистических данных с использова¬
нием метода дисперсионного анализа.
142
Глава 2. Сварочные процессы как объекты регулирования и управления
Для оценки степени связи переменных процесса с показателем
качества (диаметром ядра dя) используют квадрат корреляционного
отношения, %:
V = 1-100,
где S? - дисперсия */, связанная с изменением конкретного параме¬
тра сварки; S] - общая дисперсия dя.
На рис. 2.17 приведены результаты оценки по показателю г|2 вли¬
яния на формирование ядра при сварке параметров: средней мощно¬
сти Q и энергии Е, выделяемой в сварочном контакте при формирова¬
нии соединения; амплитудного значения импульса сварочного тока/в;
среднего значения падения напряжения между электродами {/; отно¬
сительного и среднего значений сопротивлений Д7?э, /?э сварочного
контакта; силы сжатия Fcb. Наибольший вклад в формирование ядра
вносят мощность Q и энергия Е. Следовательно, управление по энер¬
гетическим параметрам наиболее эффективно. Возможна реализация
управления процессом сварки и по параметрам / в и Uy
Для предупреждения вредного влияния возмущений на качество
сварных соединений широко применяют методы и устройства авто¬
матического регулирования. Основная задача регуляторов - стаби¬
лизация параметров режима сварки либо их изменение по програм¬
ме, обеспечивающей протекание процесса в оптимальных условиях.
Создание САР точечной и шовной сварки связано с некото¬
рыми трудностями, главной из которых является невозможность
Рис. 2.17. Диаграмма корреляционной связи различных параметров с диа¬
метром ядра:
а - для сплава АМгбМ; б - для стали 12Х18Н1 ОТ
Контрольные вопросы
143
непосредственного измерения в процессе сварки основного пока¬
зателя качества - диаметра ядра dя точки. Кроме того, трудности
возникают из-за особенностей процесса сварки: кратковременно¬
сти и прерывистого характера сварочного процесса; высоких энер¬
гетических параметров оборудования; сильных помех, создаваемых
мощными электромагнитными полями сварочного контура.
Быстродействие - важнейшее требование к регуляторам процес¬
сов контактной сварки, поскольку в течение короткого промежутка
времени (приблизительно 10'2 с) должны быть осуществлены опе¬
рации измерения значения регулируемой величины, сравнения с за¬
данным значением и выработки управляющего воздействия. Требу¬
емое быстродействие и точность могут быть обеспечены только при
использовании достижений современной электронной и микропро¬
цессорной техники.
Контрольные вопросы
1. Дайте общую характеристику входных, возмущающих и выходных
параметров сварочного процесса как объекта автоматизации.
2. Приведите описания динамических моделей одномерного линейно¬
го объекта управления при детерминированных и случайных воздействиях.
3. Сформулируйте понятия управляемости и наблюдаемости много¬
мерного линейного объекта, заданного системой уравнений первого по¬
рядка, в векторной форме записи.
4. Приведите геометрические параметры сварочной ванны, учитывая
ее возможное пространственное положение, с указанием вектора приложе¬
ния и физической природы действующих на нее сил. Опишите изменение
формы сварочной ванны.
5. Каковы критериальные отношения диаметра силового и теплового
пятен, позволяющих дать оценку бездефектного формирования шва при
изменении скорости сварки?
6. Опишите особенности формирования, характер действующих сил в
ппрогазовом канале при ЭЛС.
7. Охарактеризуйте стадии существования элементарного контакта при
контактной сварке оплавлением.
8. Какова структура сварочного контура источник питания - источник
ши рева - сварочная ванна? Дайте характеристику возмущений при различ¬
ных способах сварки.
1). Охарактеризуйте параметры режима, управляющие, возмущающие
воздействия и показатели качества при ЭЛС.
К). Дайте характеристику управляющих и возмущающих воздействий
при контактной стыковой сварке. Каковы критерии качества сварки? При¬
цедите циклограмму работы сварочной машины.
Глава 3
Системы автоматического регулирования
параметров сварочного процесса и оборудования
3.1. Разомкнутые системы автоматического регулирования
параметров процесса и оборудования
Задачей систем регулирования является стабилизация на уров¬
не заданных технологией уставок параметров режима сварки (тока
и напряжения в сварочной цепи, скорости сварки), основных пока¬
зателей качества сварного соединения при действии на сварочный
контур источник питания - источник нагрева - сварное соединение
возмущений разной физической природы.
Эти системы условно разбиты на две группы:
1) САР, не охваченные контуром обратной связи по физическим
и геометрическим параметрам объекта регулирования (сварочная
ванна, канал проплавления, сварной шов, диаметр сварного ядра),
характеризующим качество сварки. Такие САР названы разомкну¬
тыми, хотя в их структуре допускается наличие собственных замк¬
нутых контуров регулирования;
2) САР, охваченные обратной связью по физическим параметрам
объекта регулирования. Эти САР являются замкнутыми.
Рассмотрим особенности регулирования параметров процесса
в разомкнутых САР при различных способах сварки.
3.1.1. Настройка параметров и управление режимами
аргонодуговой сварки неплавящимся электродом
Сварка неплавящимся электродом в инертных газах рекоменду¬
ется для соединения деталей из высокопрочных, коррозионно-стой¬
ких и жаропрочных сталей и сплавов, алюминиевых, магниевых
и титановых сплавов, как правило, небольшой толщины. Наиболь¬
шее распространение получила аргонодуговая сварка свободной
и импульсной дугой.
Технологическая характеристика и особенности управления
источниками питания при сварке неплавящимся электродом.
При аргонодуговой сварке внешняя статическая характеристика
3.1. Разомкнутые CAP параметров процесса и оборудования
145
Рис. 3.1 Вольт-амперная характеристика источника питания
для аргонодуговой сварки
источника питания (рис. 3.1) имеет три постоянных участка (1-3)
и может иметь дополнительный участок 4, ограничивающий дли¬
тельный ток короткого замыкания.
Статическая характеристика дуги, определяемая по ГОСТ
I1 МЭК 60974-2004 как характеристика условной рабочей нагрузки,
описывается уравнением U = 10 + 0,04 I и обеспечивает оптималь¬
ное с точки зрения качественного формирования шва соотношение
между током и напряжением.
В рабочей точке (участок 5) ВАХ источника питания должна
быть штыковой для обеспечения постоянного тока сварки при ко-
иебаниях длины дуги. Зажигание дуги коротким замыканием допу-
с I имо, если источник обеспечивает установку тока короткого замы¬
кания /кз ниже сварочного. На рис. 3.1 это участок 4 со значением
/ = 30А.
И I
Участок 1 обычно формируется дежурным малоамперным источ¬
ником (до 20 А) с напряжением холостого хода до 80 В для устойчиво-
ю поджига дуги и ее удержания на импульсных режимах. Пологопа-
Л1ИОЩИЙ участок 2 формируется системой стабилизации напряжения
на дуге силового источника и имеет напряжение 40...60 В.
Источник постоянного тока (рис. 3.2) рекомендуется для сварки
большинства материалов средних толщин, за исключением алюми¬
ниевых сплавов. Его ВАХ должна быть крутопадающей с напряже¬
нием холостого хода 50...80 В, т.е. в 4-6 раз превышающим рабочее.
При этом обеспечивается устойчивость процесса сварки и стабиль¬
ное и» тока при колебаниях длины дуги, что особенно важно при ма-
iioll толщине изделия.
146
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
а
Ток
Осциллятор
ч
Газ
\
1\Х Пг ПЛ (L
^—,
Подача газа
до сварки
\г \г \Г \г \]
Зажигание
Сварка
Заварка
кратера
Подача газа
после сварки
t
б
Рис. 3.2. Структурная схема (а) и циклограмма (б)
источника постоянного тока
Начальное зажигание дуги обычно выполняется бесконтактным
способом с помощью высоковольтного высокочастотного генератора-
осциллятора (возбудителя). Защита основного источника от высокого
напряжения этого прибора обеспечивается фильтром высоких частот.
Устройство заварки кратера обеспечивает плавное снижение то¬
ка. Его иногда используют и для плавного нарастания тока в начале
сварки, что защищает электрод от разрушения. Регулирование тока
должно быть плавным с очень высокой кратностью - не менее 5.
Программное управление включением и выключением отдель¬
ных устройств источника (рис. 3.2, б) обеспечивает следующий цикл
работы: подача газа перед сваркой в течение 0,5...3,0 с, включение
осциллятора и зажигание дуги, сварка в течение длительного време¬
ни, заварка кратера в течение 3...15 с, защита шва газом в течение
3...30 с после сварки.
Иногда в источнике питания заранее настраивают два (/д|, /д2)
и более режимов по току, чтобы в процессе сварки быстро перейти
3.1. Разомкнутые САР параметров процесса и оборудования
147
Рис. 3.3. Циклограмма процесса дуговой сварки
с программированием сварочного тока
от одной ступени к другой (рис. 3.3). Такая необходимость возника¬
ет при изготовлении изделий из заготовок разной толщины и сварке
и различных пространственных положениях.
3.1.2. САР параметров дуги и процесса формирования шва
при сварке неплавящимся электродом
Особенность динамических процессов в сварочном контуре с не-
идавящимся электродом заключается в отсутствии эффекта само¬
регулирования длины дуги, свойственного системам с плавящимся
тек I родом. Кроме того, в контуре с неплавящимся электродом напря¬
жение дуги связано функциональной зависимостью с длиной дуги:
c + dl
ил=а + Ыл+—-±, (3.1)
'с.
I дс / -длина дуги, мм; а, /?, с, d- коэффициенты, учитывающие гео¬
метрические и физические особенности дуги и имеющие размер¬
ность В, В • мм-1, В • А и В • А • мм-1 соответственно.
Указанные особенности контура определяют характер отработки
технологических возмущений, действующих на его элементы: ис¬
точник питания, дугу, непосредственный объект регулирования -
сварочную ванну. При возмущениях в питающей системе и дуге
в контуре источник питания - дуга при сварке неплавящимся элек-
I родом появляются статические ошибки по току Л/ и напряжению
Л//( (рис. 3.4).
Ошибка по току А/д прямо пропорциональна возмущению по длине
цуги А/ и обратно пропорциональна динамическому сопротивлению
сварочного контура, определяемому углом наклона ВАХ питающей
148
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
Рис. 3.4. Влияние возмущений в питающей системе и дуге на параметры
дуги (силу тока, напряжение) в сварочном контуре при сварке
неплавящимся электродом:
/, 1' - невозмущенная и возмущенная вольт-амперные характеристики питающей
системы, 2. 2' - невозмущенная и возмущенная вольт-амперные характеристики
дуги
системы (7, Г) и дуги (2,2') в рабочих точках (А, А\ 5, В'). Ошибку по то¬
ку можно уменьшить путем увеличения динамического сопротивле¬
ния питающей системы. Например, при переходе на характеристику /'
ошибка по току А7д2 меньше аналогичной ошибки Д7 , соответствую¬
щей характеристике 7. Сложнее регулировать ошибку по напряжению
дуги, особенно в том случае, если она вызвана изменением длины дуги:
Ш =к А/, (3.2)
д д д’ 4 7
где kR - градиент столба дуги, В/мм; А/д - возмущение по длине ду¬
ги, мм.
На практике используют два способа регулирования параметров
дуги с неплавящимся электродом при действии возмущений в сва¬
рочном контуре: 1) с помощью систем автоматического регулиро¬
вания напряжения дуги (АРНД) и автоматического регулирования
длины дуги (АРЛД) соответственно; 2) с применением автоматиче¬
ских регуляторов параметров питающей системы (регулятор типа
АРП). Системы АРНД представляют собой замкнутые САР с воз¬
действием на пространственное положение электрода относительно
поверхности изделия. Принцип построения системы АРНД основан
на использовании зависимости U = /(/ ) при сварке неплавящимся
электродом, характер которой для двух режимов показан на рис. 3.5.
Функциональная схема системы АРНД (рис. 3.6) включает сва¬
рочный контур, состоящий из источника питания 7, дуги 2 и сва¬
рочной ванны 3, а также внешний регулятор (штриховая линия).
3.1. Разомкнутые САР параметров процесса и оборудования
149
Рис. 3.5. Зависимость напряжения дуги от ее длины при дуговой сварке
в аргоне неплавящимся электродом:
/-/ = 170 А;2-/д = 140 А
И регулятор входит суммирующий элемент 4, в котором текущее на¬
пряжение дуги Uд сравнивается с заданным эталонным напряжени¬
ем (У. Разность A U = U3-U усиливается в блоках 5 и б по напря¬
жению и мощности.
Усиленный по мощности сигнал питает исполнительный двига¬
тель 7, который через редуктор 8 обеспечивает вертикальное пере¬
мещение сварочной горелки 9 до устранения рассогласования меж¬
ду (У и U9 т.е. до AU =0.
Для лучшего демпфирования системы при отработке различных
возмущений по напряжению и длине дуги в ней используется ско¬
ростная обратная связь, которая реализована на тахогенераторе 10.
j
Рис. 3.6. Функциональная схема системы АРНД при дуговой сварке
неплавящимся электродом
150
Iлава 3. CAP параметров сварочного процесса и оборудования
В некоторых случаях (сварка на малых токах) нарушается линей¬
ная зависимость между напряжением дуги и ее длиной. Тогда для
стабилизации напряжения дуги используют АРЛД. В таких систе¬
мах необходимо получение с помощью пневматического или фото¬
электрического датчика сигнала, пропорционального длине дугово¬
го промежутка.
Для управления формированием шва при аргонодуговой сварке
неплавящимся электродом тонколистовых конструкций и непово¬
ротных стыков трубопроводов рекомендуется применять импульс¬
ные источники с пульсирующей дугой, так как при оптимальном
подборе параметров импульса и паузы удается снизить опасность
прожога. Для этого длительность и амплитуду импульса тока вы¬
бирают такими, чтобы образовалась расплавленная сварочная ван¬
на. Затем между импульсами ток снижается до дежурного значения,
и во время паузы ванна кристаллизуется, не успевая вытечь из шва.
Шов при этом формируется перекрывающими друг друга точками
и имеет чешуйчатую форму. У современных импульсных источни¬
ков питания длительности импульса и паузы настраиваются плавно
и независимо друг от друга в интервале 0,1... 10,0 с. Глубина модуля¬
ции, т.е. отношение тока импульса к току паузы, должна изменять¬
ся от 1 до 10. Иногда на низкую частоту накладываются импульсы
более высокой частоты (до 10 кГц), что способствует измельчению
структуры шва и повышению его прочности. Такой технологиче¬
ский прием, называемый двойной модуляцией, используют в основ¬
ном для проплавления корня шва и при сварке алюминиевых спла¬
вов на переменном токе.
С увеличением амплитуды и длительности импульсов ширина шва
и глубина проплавления возрастают. При оптимально подобранных
параметрах импульсного процесса обеспечиваются условия получе¬
ния сварных точек благоприятной формы, близкой к кругу. Снижается
вероятность вытекания расплавленного металла из сварочной ванны
(прожога). Поэтому сварку легко выполнять на весу без подкладок
при хорошем качестве шва во всех пространственных положениях.
3.1.3. Настройка параметров и управление режимами ручной
дуговой сварки покрытыми электродами и механизированной
сварки в среде защитных газов
Источники питания для ручной дуговой сварки покрыты¬
ми электродами. Статическая характеристика дуги, определяемая
по ГОСТ Р МЭК 60974-2-2004 как характеристика условной рабочей
3.1. Разомкнутые CAP параметров процесса и оборудования
151
нагрузки, соответствует уравнению U = 20 + 0,04/ и обеспечивает
оптимальное с точки зрения качественного формирования шва соот¬
ношение между током и напряжением.
В рабочей точке ВАХ источника питания должна быть падаю¬
щей. В простых источниках это обеспечивается регулированием
всего двух параметров - напряжения холостого хода и сопротивле¬
ния сварочной цепи (рис. 3.7, а). При этом ток короткого замыка¬
ния /.} по отношению к току дуги Iх устанавливается автоматически
и 1,2-2 раза более высоким. Кратность регулирования сварочного
нжа / // в серийных источниках промышленного назначения
л max л m in г г
(например, ВД-306) достигает 10.
В современном источнике питания ВАХ может состоять из че¬
тырех участков (рис. 3.7, б). Участок 1 обычно формируется де¬
журным малоамперным источником (до 20 А) с напряжением хо¬
лостого хода до 80 В для устойчивого поджига дуги и ее удержания
на импульсных режимах. Пологопадающий участок 2 формирует¬
ся системой стабилизации напряжения на дуге силового источни¬
ка и имеет напряжение 40...60 В. Основной крутопадающий уча¬
сток 3, который формируется системой стабилизации сварочного
тока силового источника, обеспечивает поддержание устойчивого
дугового разряда. Пологопадающий участок «антипримерзания» 4
предназначен для независимой от сварочного тока установки то¬
ка короткого замыкания. Большой ток короткого замыкания (в не¬
сколько раз превышающий ток сварки) обеспечивает выделение
значительного количества теплоты в момент касания электрода,
быстрое возбуждение дуги и резкое снижение вероятности при¬
липания электрода.
I4ic. 3.7. Характеристики источника питания для ручной дуговой сварки
152
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
Настройка сварочного тока осуществляется смещением участка 3
влево или вправо. На его пересечении с характеристикой условной ра¬
бочей нагрузки получаем точку А, соответствующую настроенному сва¬
рочному току. Крайние точки указывают пределы регулирования тока.
Источники питания для механизированной сварки в за¬
щитном газе. Для простейшего источника минимум требований
сводится к выбору напряжения холостого хода, наклона ВАХ, диа¬
пазона регулирования напряжения и индуктивности сварочной це¬
пи. У такого источника ВАХ состоит из двух участков - подпит¬
ки 7 и жесткого основного 2, а иногда всего только из участка 2
(рис. 3.8, а). Наклон участка 2 выбирают из условия обеспечения
стабильного горения дуги за счет явления саморегулирования, эф¬
фективность которого обеспечивается тем, что малым колебаниям
напряжения дуги (длины дуги) соответствуют большие изменения
тока. Коэффициент наклона характеристики должен быть от +0,04
до -0,07 В/A. Сварочное напряжение настраивают в интервале
15...44 В. Для уменьшения разбрызгивания подбирают сварочный
дроссель в диапазоне 0,1... 1 мГн. Характеристика условной рабочей
нагрузки U^ = 14 + 0,05/1 отражает наилучшее соотношение между
током и напряжением дуги.
Современный источник имеет четыре участка внешней характе¬
ристики (рис. 3.8, б). Участок 7, как и при сварке покрытым электро¬
дом, характеризуется напряжением холостого хода до 80 В и током
короткого замыкания до 10.. .50 А; предназначен для заполнения па¬
уз в кривой сварочного тока. Жесткий рабочий участок 2 обычно
формируется системой автоматической стабилизации напряжения.
Участок отсечки 3 ограничивает предельное значение сварочного
тока, защищая источник от перегрева. Участок форсирования 4 не¬
обходим для независимой настройки тока короткого замыкания.
Рис. 3.8. Характеристики источника питания
для механизированной сварки в защитном газе
3.1. Разомкнутые САР параметров процесса и оборудования
153
3.1.4. Системы управления переносом электродного металла
и формированием шва при дуговой сварке в защитном газе
При механизированной сварке плавящимся электродом шов об¬
разуется за счет проплавления основного металла и расплавления
дополнительного металла электродной проволоки. Поэтому форма
и размеры шва зависят от характера расплавления и переноса элек¬
тродного металла в сварочную ванну. Характер переноса определя¬
ется в основном материалом электрода, составом защитного газа,
плотностью сварочного тока и рядом других факторов.
При традиционном способе сварки можно выделить три основ¬
ные устойчивые формы расплавления электрода и переноса электрод¬
ною металла в сварочную ванну (J - диаметр капли; dэ - диаметр
электрода):
1) сварка с периодическими короткими замыканиями и капель¬
ным переносом электродного металла (dK ~ t/);
2) сварка без короткого замыкания с крупнокапельным перено¬
сом (dK > d );
3) сварка без короткого замыкания с мелкокапельным переносом
(</ < d), а на закритических токах - со струйным переносом электрод¬
ного металла.
Характер переноса металла влияет также на металлургические
процессы в зоне сварки. Значительно влияние переноса и на фор¬
мирование швов, эффективный КПД процесса, зависящий от по¬
терь металла на угар и разбрызгивание. В связи с этим представля¬
ет интерес изыскание способов управления переносом. Известны
технологические способы управления переносом: использова¬
ние комбинированной защиты зоны дуги (Аг + С02), нанесение
на электрод активирующих покрытий, ведение процесса на закри-
I ических точках. Однако они не универсальны, ограничены мно¬
жеством факторов технологического и технико-экономического
характера.
Большое практическое значение имеет разработка электротехни¬
ческих методов управления переносом. Идея управления обусловле¬
на оценкой характера сил, действующих на каплю, которая находит¬
ся на конце электрода. Одна часть этих сил при зарождении капли
стремится удержать ее на конце электрода, а другая, наоборот - от¬
делить ее от электрода (рис. 3.9).
Динамика изменения сил, действующих на каплю в процессе ее
роста, описана в гл. 2.
154
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
Рис. 3.9. Схема сил, действующих на каплю:
а - сварка в С02; б - сварка в смеси газов
Результирующая электромагнитная сила, действующая на каплю,
4 п d3
При сварке в С02 на малых токах с d<d3 вертикальная составля¬
ющая F*M электромагнитной силы вследствие сжатия дуги направ¬
лена к электроду (рис. 3.9, а). Оторвать каплю от электрода не всегда
удается, управляемый перенос трудноосуществим.
При сварке в аргоне или газовых смесях (Аг + С02) регулирова¬
нием в смеси соотношения Аг и С02 легко можно выполнить усло¬
вие d > d3 и реализовать перенос электродного металла к изделию
(рис. 3.9, б), так как направление силы F3M изменяется.
Условие управляемого переноса можно записать в следующем
виде:
F > О FB > F
Поскольку электромагнитная сила зависит и от тока дуги / , при
сварке в С02 путем увеличения тока можно добиться, чтобы выпол¬
нялось условие d > d3 и сила F3M была направлена вниз. Диаметр
капли, отрываемой от электрода, уменьшается и становится пример¬
но равным диаметру электродной проволоки (рис. 3.9, б): dK ~ d3.
3.1. Разомкнутые САР параметров процесса и оборудования
155
Процесс переноса капли в сварочную ванну становится более ста¬
бильным, а при критическом значении тока /к - мелкокапельным
(струйным). Для реализации этих условий большое практическое
шачение имеет разработка технологии импульсно-дуговой сварки
плавящимся электродом на длинной и короткой дуге.
Импульсно-дуговая сварка длинной дугой. Технология этой
сварки реализуется в газовой защитной среде при использовании С02
и ли смеси газов 80% Аг + 20% СОг Возможно применение техниче¬
ской смеси Ar -I- С02 с добавлением небольшого количества 02. На ба¬
зовый ток У, периодически накладываются импульсы постоянного то¬
ка с пиковым значением /р (рис. ЗЛО, а). В результате воздействия
н их импульсов конец электродной проволоки расправляется и осу¬
ществляется капельный перенос металла без коротких замыканий.
Помимо известных параметров режима (напряжение и ток ду-
1и, скорость сварки, скорость подачи электродной проволоки) при
5 6 7
б
Рис. ЗЛО. Импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом
в защитном газе:
г/ и пора мгновенных значений импульсного тока сварки (точки 1-7 соответству¬
ют нумерации кадров); 6- кадры киносъемки процесса сварки
156
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
импульсно-дуговой сварке важными параметрами являются пиковое
значение /р и длительность /и импульса, частота (период Гц) следо¬
вания импульсов, а также базовый ток /б. Обычно I = 300... 1 200 А,
t =1...5мс, Т = 30...300 имп./с.
Стабильный процесс при импульсно-дуговой сварке и мини¬
мальное разбрызгивание металла возможны только при установке
на источнике питания оптимальных параметров импульсов.
В случае малой энергии импульса капля срывается не при каж¬
дом действии импульса тока; при большой энергии отрыв капли мо¬
жет происходить не в конце его действия, а при значении, близком
к амплитудному. Это может привести к отрыву одним импульсом
тока нескольких капель и повышенному разбрызгиванию. При опти¬
мальных параметрах импульсов отрыв капли от электрода происхо¬
дит в конце действия каждого импульса. Реализуется режим сварки
«один импульс - одна капля» (рис. 3.10, а, б). Для обеспечения ус¬
ловия переноса электродного металла в этом режиме при dK ~ J не¬
обходимо определить требуемое пиковое значение импульса /р при
разных диаметрах электрода J. Функциональная связь между пико¬
вым значением импульсного тока и диаметром электрода отражена
на рис. 3.11.
Чтобы сохранить минимальную постоянную длину дуги неза¬
висимо от скорости подачи vn проволоки (среднего значения свароч¬
ного тока / р), необходимо пропустить импульсный ток с частотой/и,
равной частному от деления секундного объема К = nr2vn (г - ради¬
ус капли, мм) электродной проволоки на объем F = 4пг3/3 металла
электрода, расплавленного при прохождении одного импульса тока,
т.е./ = V/V.
J и э к
Рис. 3.11. Зависимость пикового значения /р тока от диаметра электродной
проволоки rf, обеспечивающая условие dK = d3
3.1. Разомкнутые САР параметров процесса и оборудования
157
Например, при d3 = 1,2 мм и vn = 10 м/мин (/с ~ 300 А) расчетная
частота следования импульсов
Если изменять скорость подачи электрода в целях регулирования
проплава, то для стабилизации процесса переноса при соблюдении
указанных выше условий необходимо изменять частоту следования
импульсов в соответствии с зависимостью на рис. 3.12.
Теплота Q, подводимая к концу электрода складывается из те¬
плоты, выделяемой при горении дуги, и джоулева тепла, выделяемо¬
го на длине вылета электрода:
где к- коэффициент, зависящий от диаметра и марки электрода, а так¬
же анодного напряжения дуги на торце электрода; /(/) - мгновенное
значение сварочного тока; /в - длина вылета электрода (расстояние
между точкой токосъема и поверхностью свариваемого изделия); R -
сопротивление проволоки на длине вылета электрода.
При изменении /в изменяется и количество джоулева тепла, а сле¬
довательно, и количество подводимой к концу теплоты Q, что при¬
ведет к нарушению режима сварки.
Для поддержания постоянного значения Q при изменении длины
вылета в процессе сварки можно изменять длительность импульса tи
(10000/60М0 6)-
(4/ 3)71(0,6)3
где /с = /р?и + /6/„/и
/и. ГЦ
Г, ММ
200 -
100 -
0,7
0,6
0,5
0
100 200 300 1СА
Рис. 3.12. Связь частоты следования импульсов/и и радиуса капли г
со средним сварочным током / (скоростью подачи электрода)
158
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
или частоту импульсов /и. Однако, как установлено технологиче¬
скими условиями, в случае изменения частоты импульсов при по¬
стоянной скорости подачи проволоки диаметр капли электродного
металла, соответствующий одному импульсу, изменяется. Поэтому
возмущения по длине вылета целесообразно компенсировать, изме¬
няя длительность импульса. Способ позволяет сохранять постоян¬
ные длину дуги и размер капель при изменении длины вылета элек¬
трода, что положительно влияет на стабильность процесса и форму
шва при сварке.
Количественную оценку возмущений по длине вылета можно
сделать на основании результатов контроля среднего значения на¬
пряжения дуги в процессе сварки. Этот параметр можно использо¬
вать как сигнал обратной связи.
Такие системы применены при проектировании инверторных
источников питания для импульсно-дуговой сварки с тиристорным
и транзисторным исполнением.
Технологические свойства инверторного источника помимо его
динамических характеристик (быстродействия) зависят от формы
внешних характеристик.
Для инверторного выпрямителя ВАХ определяются конструк¬
тивными особенностями инвертора (рис. 3.13). Естественная внеш¬
няя характеристика собственно инвертора (рис. 3.13, а) почти
жесткая (линия /). Однако поскольку индуктивное сопротивление
трансформатора, пропорциональное частоте инвертирования, вели¬
ко даже при небольшом магнитном рассеянии, характеристика вы¬
прямителя в целом получается падающей (линия 2). Обычно ВАХ
формируются искусственно с помощью обратных связей. Например,
для получения крутопадающих характеристик вводится отрицатель¬
ная обратная связь по току, при которой с увеличением сварочного
а б
Рис. 3.13. Внешние характеристики инверторных выпрямителей:
а - естественные ВАХ инвертора, б - комбинированная ВАХ инвертора
3. /. Разомкнутые САР параметров процесса и оборудования
159
кжа частота инвертирования снижается, что приводит к уменьше¬
нию выпрямленного напряжения (линия 3).
Подобным образом для получения жестких характеристик, при¬
меняемых при сварке плавящимся электродом в С02, вводят отрица¬
тельную обратную связь по выпрямленному напряжению.
В инверторном выпрямителе сравнительно легко получить и ло¬
маную ВАХ (рис. 3.13, б), сформированную из нескольких участков.
Крутопадающий участок 1 необходим для задания сравнительно вы¬
сокого напряжения холостого хода, что полезно при зажигании дуги.
11ологопадающий основной участок 2 обеспечивает эффективное
саморегулирование при механизированной сварке в С02. Вертикаль¬
ный участок 3 ограничивает сварочный ток, что предотвращает про¬
жог при сварке тонкостенных изделий. Участок 4 задает значение
кжа короткого замыкания. Разумеется, положение каждого участка
настраивается с помощью отдельных регуляторов. Так, при сварке
и С02 перемещением по вертикали участка 2 регулируется напряже¬
ние, а при сварке покрытыми электродами перемещением участка 3
устанавливается сила тока.
Сварочные свойства инверторных выпрямителей суще¬
ственно лучше, чем у всех обычных источников, вследствие высокого
быстродействия инвертора. Если длительность переходного процес¬
са обычных источников не менее периода стандартного переменного
кжа, т.е. около 0,02 с, то быстродействие инверторного выпрямителя
характеризуется значениями 0,001 с и менее. При механизированной
сварке в С02 инверторный выпрямитель может обеспечить сложный
алгоритм изменения тока для управления переносом электродного
металла при длительности отдельных этапов цикла около 1 мс. Высо¬
кие динамические свойства инверторного выпрямителя проявляются
и при программном управлении процессом сварки. В этом случае лег¬
ко обеспечиваются «горячий пуск» в начале сварки, быстрый переход
от одного из заранее настроенных режимов к другому при попере¬
менной сварке нижних и вертикальных швов, сварка пульсирующей
дугой с регулируемой формой импульса и т. д.
Для сварки сталей и алюминиевых сплавов система с микропро¬
цессорным управлением на базе инверторного источника может вы¬
полнять следующие функции:
• автоматическое регулирование (стабилизация) сварочного то¬
ка с воздействием на скорость подачи электродной проволоки, а так¬
же напряжения дуги с воздействием на напряжение холостого хода
источника;
160
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
• задание параметров цикла сварки: времени продувки шлан¬
гов защитным газом - 0,1... 1,0 с, длительности растяжки дуги по¬
сле прекращения подачи проволоки до выключения источника (за¬
варка кратера) - 0,1...0,5 с, подачи газа после сварки - 0,5...5,0 с
с дискретностью 0,1 с;
• задание параметров импульсно-дуговой сварки: частоты им¬
пульсов - 30...300 Гц и напряжения источника в импульсе -11.. .44 В
с дискретностью 0,1 В, функциональное изменение этих параметров
по сигналам в цепях обратной связи (синергетическое управление);
• выбор рабочей программы сварки по заданию оператором.
На пульте управления источника оператор устанавливает следу¬
ющие параметры системы: диаметр электродной проволоки, вид за¬
щитного газа, марка и толщина свариваемого материала и способ
сварки. По установленным данным система автоматически выбира¬
ет из памяти требуемые параметры сварки после нажатия кнопки
«Пуск» оператором (режим однокнопочного управления).
Источник питания позволяет реализовать формирование в сва¬
рочной цепи базового тока /б, формирование импульсов с регули¬
руемым пиковым значением /р, длительностью /и и частотой следо¬
вания /и импульсов в зависимости от скорости подачи и диаметра
электродной проволоки и длины вылета электрода.
При изменении скорости подачи электродной проволоки в це¬
лях регулирования глубины проплавления в инверторном источнике
питания с помощью микропроцессора автоматически подбирается
требуемая частота следования импульсов из условия сохранения
среднего размера переносимых капель. При изменении длины вы¬
лета электрода путем регулирования длительности импульсов ста¬
билизируется среднее значение напряжения на дуге.
Сварочные инверторы часто входят в состав комплекса свароч¬
ного оборудования, состоящего из источника питания, системы га¬
зовой или флюсовой защиты и механизма подачи присадочной про¬
волоки. Управление данной системой достаточно сложное и связано
не только с согласованием работы всех ее компонентов, но и с ре¬
ализацией сложных технологических режимов сварки. Система
управления данным комплексом является вполне самостоятельным
ее элементом и осуществляется с применением микропроцессорных
устройств.
Импульсная сварка короткой дугой в СОг Анализ многочис¬
ленных литературных источников, посвященных особенностям это¬
го вида сварки, показал, что процесс обычно проходит с короткими
3.1. Разомкнутые САР параметров процесса и оборудования
161
смыканиями дугового промежутка. Перенос электродного металла
мри стабильной дуге имеет в основном капельный характер с d ~ d.
11ри заглубленной в сварочную ванну дуге возможен мелкокапельный
мереное металла с dK< dy Стабильность процесса сварки и разбрызги¬
вание электродного металла в основном зависят от технологических
факторов и динамических свойств источников питания.
Что касается влияния технологических факторов, то применение
режимов с повышенными значениями плотности тока, которые увели¬
чивают интенсивность металлургических реакций в капле и ванне, ис¬
пользование для сварки ржавой, загрязненной проволоки или покры¬
тых окалиной стальных деталей - основные причины нестабильности
сварки.
Эти причины можно полностью устранить при переходе на ре¬
жимы с нормальными значениями плотности тока, путем приме¬
нения чистой проволоки или электродов с антикоррозионными по¬
крытиями, а также использования в качестве защитной среды смеси
газов.
Другая причина нестабильности процесса и разбрызгивания
электродного металла при сварке короткой дугой в СО, связана с не¬
удовлетворительными динамическими свойствами источников пи¬
тания, которые определяются характером изменения мгновенной
мощности как на интервале короткого замыкания, так и в момент
моторного возбуждения дуги. Указанные свойства можно улуч¬
шить применением в технологиях высокочастотных источников пи¬
тания дуги (инверторов) и специальных микропроцессорных систем
управления, которые обеспечивают управление микроциклами про¬
цесса сварки на стадиях горения дуги и короткого замыкания.
С учетом отмеченного сформулируем две основные технологи¬
ческие задачи применительно к совершенствованию оборудования
и процесса сварки короткой дугой:
1) уменьшение разбрызгивания электродного металла за счет
обеспечения управляемого переноса капель;
2) повышение стабильности процесса сварки благодаря использо¬
ванию микропроцессорных систем управления в источниках питания.
Для решения первой задачи необходимо ограничить скорость на¬
растания и силу тока короткого замыкания, а в отдельных фазах этого
микроцикла (перед разрушением перемычки между электродом и ка¬
плей и на начальной стадии повторного возбуждения дуги) снижать
1ок короткого замыкания до возможного минимума. Анализируя про¬
водимые для решения этой технологической задачи исследования,
162
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
способствовавшие выявлению причин разбрызгивания электродно¬
го металла, следует отметить, что до сих пор основной путь стаби¬
лизации процессов, протекающих на стадии короткого замыкания,
связывается с использованием в системах питания дуги токоограни¬
чивающих устройств, таких как катушки индуктивности и ограничи¬
тели напряжения источников питания. Этот позволяет лишь частично
устранить причины разбрызгивания электродного металла, как прави¬
ло, в области малых значений тока и при использовании электродной
проволоки диаметром 0,8...1,2 мм. Рекомендуется ограничить ско¬
рость нарастания тока короткого замыкания значениями 70... 180 кА/с
и введением дросселя в сварочную цепь. Разбрызгивание уменьшает¬
ся также при выборе оптимального соотношения между током и на¬
пряжением, например по соотношению U = 18 + 0,041/д. Источник
с возрастающей ВАХ, автоматически обеспечивающий это соотноше¬
ние, назван оптимизирующим.
Решения второй задачи связано с поддержанием неизменных
во времени электрических и тепловых характеристик процесса либо
с изменением их по определенной программе.
Можно отметить, что все разрабатываемые алгоритмы управле¬
ния переносом электродного металла реализуются жестко задавае¬
мой программой. Именно поэтому такие процессы весьма чувстви¬
тельны к различного рода возмущающим воздействиям, что, как
правило, приводит к нарушению их стабильности и требует дли¬
тельной настройки на необходимый режим.
В настоящее время сформировалось и успешно осуществляется
направление исследований, позволяющее значительно расширить
технологические возможности электродуговых процессов благо¬
даря реализации адаптивных алгоритмов импульсного управления
сваркой. Параметры импульсов корректируют в зависимости от из¬
менения энергетических параметров процесса, контролируемых
по каналам обратных связей. Суть такого подхода заключается в пе¬
риодическом импульсном воздействии: с одной стороны, на харак¬
теристики плавления и переноса электродного металла, а с другой -
на процессы формирования сварочного шва.
Практическая реализация отмеченного подхода связана с необ¬
ходимостью решения ряда сложных технологических и электротех¬
нических задач.
При решении технологических задач затрагиваются вопросы вы¬
бора оптимального состава газовых смесей, состава и диаметра элек¬
трода, оптимизированных значений и связей между параметрами
3.1. Разомкнутые САР параметров процесса и оборудования
163
режима сварки, а также настройки рабочих участков на ВАХ источ¬
ника питания. Технологические задачи следует увязать с электро¬
магнитными процессами, протекающими в системе источник пи¬
тания - дуга - сварочная ванна. Для этого в систему управления
сварочным оборудованием вводят каналы обратных связей, по кото¬
рым обеспечивается контроль за изменением основных параметров
процесса сварки (напряжения на дуге, сварочного тока, мгновенной
мощности сварочной дуги).
Для решения электротехнических задач необходимо исполь¬
зовать в комплекте сварочного оборудования специальные силь¬
ноточные импульсные регуляторы сварочного тока. Как правило,
они должны обладать малой инерционностью, высокой надежно¬
стью в работе и удовлетворительными массогабаритными показа¬
телями. Перечисленные требования выполнить достаточно сложно,
поскольку это связано с коммутацией больших импульсных мощ¬
ностей (до 50 кВт и более) во временных интервалах в несколько
микросекунд. Определенный успех в решении этих задач достигнут
благодаря применению в силовых цепях регуляторов сварочного то¬
ка, управляемых тиристоров и мощных транзисторов.
В рамках указанного направления исследований созданы спосо¬
бы сварки, разработанные с учетом следующих факторов:
1) дозирование энергии, потребляемой при формировании каж¬
дой переносимой капли электродного металла;
2) создание условий для принудительного переноса капли рас¬
плавленного электродного металла в сварочную ванну;
3) ступенчатое уменьшение тока короткого замыкания на интер¬
вале разрушения жидкой перемычки между электродом и сварочной
ванной и в момент повторного возбуждения дуги.
Такое протекание процесса возможно только при условии не¬
прерывного контроля за состоянием дугового промежутка в течение
всего сварочного микроцикла (с использованием обратных связей)
по мгновенным значениям технологических параметров сварки.
В последние годы рядом российских и зарубежных фирм пред¬
ложены новые импульсные способы и оборудование для MIG/
MAG-сварки с управляемым каплепереносом (табл. 3.1).
Практическая реализация любого из перечисленных в табл. 3.1
способов сварки требует выбора соответствующего программного
продукта, разработанного фирмой, и его установки.
Программирование процесса сварки с управляемым каплепере¬
носом электродного металла при использовании разных алгоритмов
164
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
Таблица 3.1
Российские и зарубежные компании, разработавшие способы
MIG/MAG-сварки с управляемым каплепереносом
Компания
Способ
Оборудование
Страна
«Технотрон»
УКП
DC 400/33 УКП
Россия
ИТС
ВКЗ
ВД-506 ДК
Россия
EWM
ColdArc, ForceArc,
Highspeed
pipeSolution rootArc
Phoenix-301, -351,
Phoenix-330 Pulse
ForceArc и др.
Германия
Fronius
CMT, TimeTwin
TSP2700 CMT,
TimeTwin Digital
4000/5000 и др.
Австрия
Lincoln
Electric
STT
Invertec
STTII + STTIOm др.
США
Lorch -
«Шторм»
SpeedArc, SpeedRoot,
SpeedUp, SpeedPulse
Серия машин
M-Pro-250, -300,
S SpeedPulse 300-500
и др.
Герма¬
ния - Рос¬
сия
Kemppi
WiseRoot, WiseFu-
sion, WisePenetration,
WiseThin
FastMig, Kemp Arc
Pulse350,
SYN300 и др.
Финлян¬
дия
управления позволило разработчикам получить ряд новых модифи¬
цированных стабильных импульсных способов MIG/MAG-сварки
тонко- и толстостенных изделий ответственного назначения из ста¬
ли и сплавов, обеспечивающих повышение производительности
и качества сварки, а также энергосбережение. Эти технологиче¬
ские эффекты достигнуты на основе дозированного тепловложения
в процессе сварки через управляемую импульсную дугу при капель¬
ном, аксиальном и радиальном струйном переносах электродного
металла в сварочную ванну. Гарантированы минимальные дефор¬
мации свариваемого изделия, пространственная устойчивость и вы¬
сокая тепловая концентрация дуги. При сварке в различных про¬
странственных положениях обеспечиваются провар кромок стыка,
отсутствие подрезов и прожогов при значительных изменениях
зазора в стыке, изменении длины вылета электрода. Предложены
конкретные эффективные технологические решения для импульс¬
ной сварки на короткой дуге изделий с толщиной стенки до 15 мм
3.1. Разомкнутые САР параметров процесса и оборудования
165
и у жую разделку кромок при увеличенной длине вылета электрода.
Решены вопросы сварки в различных пространственных положени¬
ях без тепловых деформаций изделий из конструкционных сталей,
алюминия и алюминиевых сплавов, сплавов на никелевой основе
и из других специальных материалов для угловых и тавровых со¬
единений. Достигнута высокая производительность сварки этих из¬
делий при автоматизации и роботизации производства.
Способы сварки с управляемым каплепереносом используют
Iшоке при выполнении корневого шва и заполняющих слоев в слу¬
чае многослойной сварки кольцевых стыков труб большого диаме-
ipa, с адаптацией режима сварки к изменению зазора в стыке, длин
пилота электрода, изменения пространственного положения свароч¬
ной головки на трубе.
Реализация перечисленных выше способов сварки основана
ни возможности программного регулирования процессором в ми-
кросекундном диапазоне формы кривых тока и напряжения дуги
и источнике питания. По использованному в программе алгоритму
и сигналам с датчиков тока и напряжения на дуге через обратные
связи сварочный аппарат изменяет заданные в программе параме¬
тры импульсного режима (частоту, амплитуду, форму импульсов
и длительность пауз между ними) в микроциклах сварки, скорость
подачи электродной проволоки, расход защитного газа и др.
Па всех стадиях процесса сварки при этих способах обеспечи¬
вается управление дозировкой энергии дуги, упрощается техни¬
ка сварки для оператора. При механизированной сварке оператору
не нужно выполнять сложные движения горелкой (поперечные ко-
небания электрода, сварка «елочкой»), необходимо только переме¬
щать горелку вдоль стыка с заданной скоростью. Обеспечиваются
I арантированное проплавление кромок стыка и качественное фор¬
мирование шва.
Технологический эффект достигается сочетанием двух фаз со¬
стояния сварочной дуги. Первая из них (горячая) - фаза тока боль¬
шой силы с передачей в импульсе высокой энергии через дуговой
промежуток для обеспечения интенсивного расплавления материа-
аа электрода и свариваемого изделия. Затем процессором по задан¬
ному в программе алгоритму (практически без брызг) реализуется
вторая (холодная) фаза передачи низкой энергии, при которой су¬
щественно снижается силовое и тепловое воздействие дуги на сва¬
рочную ванну. Происходят демпфирование колебаний сварочной
ванны и ее кристаллизация. Исключается возможность разрушения
166
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
0 Aiep 1
Рис. 3.14. Зоны устойчивого существования дуг
с различными видами управляемого переноса металла:
/ - с короткими замыканиями; 2, 3 - крупно- и мелкокапельный; 4 - струйный;
5 - ротационный
сварочной ванны при сварке во всех пространственных положениях,
даже с увеличенным до 8 мм зазором между кромками стыка свари¬
ваемого изделия.
Зоны реализации различных импульсных способов сварки и ви¬
дов переноса электродного металла в координатах «ток - напря¬
жение» в зависимости от энергетических затрат на процесс сварки
представлены на рис. 3.14; переходный режим соответствует грани¬
це между зоной коротких дуг и зоной средних и длинных дуг.
Ниже раскрыты технологические особенности ряда новых вы¬
сокопроизводительных импульсных способов MIG/MAG-сварки
с различными законами управления током дуги при сварке.
Процесс SpeedPulse. Процесс SpeedPulse разработан компанией
Lorch Schweisstechnik (Германия) на базе инверторных импульсных
источников питания фирмы «Шторм-Lorch», серия S SpeedPulse.
Особенность процесса заключается в объединении технологиче¬
ских свойств стандартной импульсной дуги, обеспечивающей для
минимизации тепловложения при сварке строго дозированный
перенос электродного металла по схеме «один импульс - одна ка¬
пля» со свойствами струйной дуги во время пауз между импуль¬
сами. Это повышает эффективность использования дуги. Процесс
сварки выполняется при повышенных скоростях сварки (на 40%)
и подачи электродной проволоки (до 11,9 м/мин против 9,5 м/мин,
3.1. Разомкнутые САР параметров процесса и оборудовании
167
соответствующей стандартной импульсной сварке). За счет увели¬
чения среднего тока дуги возрастает производительность наплавки,
увеличивается глубина проплавления основного металла. Формиру¬
емые на конце электрода капли после отделения от электрода пере¬
даю гея через дуговой промежуток в сварочную ванну не отдельны¬
ми каплями, а в виде почти непрерывной струи жидкого металла с ее
периодическим уплотнением в момент действия импульса.
Область существования процесса SpeedPulse на рис. 3.14 соот¬
ветствует зоне средних длин дуг с мелкокапельным и струйным пе¬
реносом электродного металла в дуговом промежутке.
Процесс расширяет технологические возможности применения
стандартной импульсной сварки различных сталей на повышенных
скоростях сварки. При этой технологии обеспечивается более вы¬
сокое и концентрированное давление электродного металла на за¬
готовку, что гарантирует более глубокое проплавление основного
металла при сварке изделий из углеродистых, высокопрочных, кор¬
розионно-стойких сталей и алюминия (рис. 3.15).
Рис. 3.15. MIG/MAG-сварка:
а, б - формы дуги и проплавления стыка при сварке StandardPulse;
в, г - то же при сварке SpeedPulse
168
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
Технология ForceArc. Технология разработана компанией EWM
(Германия) для серии инверторных полуавтоматов Phoenix. Эта тех¬
нология (рис. 3.16) обеспечивает стабильное выполнение процесса
сварки с глубоким проплавлением на форсированной укороченной
дуге с мелкокапельным переносом, а на обычной дуге - со струй¬
ным переносом электродного металла без коротких замыканий ду¬
гового промежутка (см. рис. 3.14). Высокая скорость передачи сиг¬
нала по системе обратных связей и малая индуктивность сварочного
контура силового инвертора Phoenix позволяют ограничивать раз¬
мер капли расплавленного металла и мгновенно корректировать
]
[0 мс
I А
и
fW»
1 Г »
I
тгк
и
/
Г*"
.J
t
б
Рис. 3.16. Схема расположения электрода в разделке и осциллограммы
процесса при стандартной импульсной сварке дугой со струйным пере¬
носом электродного металла (а) и при сварке корневого соединения уко¬
роченной (форсированной) импульсной дугой (б) корневого соединения
в узкую разделку толстостенного изделия по технологии ForceArc
3.1. Разомкнутые САР параметров процесса и оборудования
169
сварочный ток, не позволяя процессу переходить в режим коротких
замыканий.
При традиционном методе со струйным переносом возникают
существенные трудности при сварке в узкую разделку. Процесс не¬
стабилен, дуга может перемещаться с кромки на кромку, возникают
короткие замыкания, увеличивается разбрызгивание. Укорочение
дуги, увеличение длины вылета электрода и использование специ¬
ализированных источников питания, которые обладают возмож¬
ностью контролировать параметры режима с высокой точностью,
позволяют решить указанную проблему. Процесс ForceArc харак¬
теризуется отсутствием брызг при короткой длине дуги и большой
длине вылета проволоки, благодаря чему можно успешно сваривать
корневые слои шва при более узкой разделке кромок. Процесс пред¬
ставляет собой сварку погруженной дугой, что также позволяет по¬
лучать лучшую форму сварного шва (отсутствие пор и подрезов)
при большой глубине проплавления.
Форсированная дуга имеет также ряд преимуществ перед обыч¬
ной дугой со струйным переносом:
• глубокое проплавление благодаря увеличенному давлению
дуги на ванну жидкого металла;
• упрощение управления процессом вследствие большей ста¬
бильности дуги;
• отсутствие подрезов при сварке короткой дугой;
• повышение производительности, обусловленное более высо¬
кой скоростью сварочного процесса и увеличенным коэффициентом
наплавки (уменьшение числа проходов);
• уменьшение зоны нагрева;
• экономия сварочной проволоки и защитного газа;
• уменьшение необходимой ширины разделки;
• снижение остаточных деформаций.
Процесс может быть рекомендован для сварки толстостенных
стальных изделий (трубы, обечайки в узкую разделку кромок), а так¬
же балок с тавровыми и угловыми соединениями.
Процесс Highspeed. Высокопроизводительный сварочный про¬
цесс Highspeed, также разработанный фирмой EWM (Германия),
позволяет сваривать сплошным электродом со скоростью подачи
проволоки до 30 м/мин. Перенос электродного металла (рис. 3.17)
происходит в струйном режиме (зона средних и длинных дуг).
При этом возможны две различные формы переноса капель в дуго¬
вом промежутке - струйный и ротационный (см. рис. 3.14).
170
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
Рис. 3.17. Виды переноса электродного металла при сварке по технологии
Highspeed:
а - обычная дуга со струйным переносом; б - вращающаяся дуга со струйным
переносом (ротационный процесс)
Струйный перенос при высоких значениях тока характеризу¬
ется конической формой конца электрода, от которого расходится
трапециевидный поток плазмы. Высокое давление плазмы созда¬
ет в основном материале проплавление, которое отличается узкой
и глубокой сердцевиной и корытообразной поверхностной зоной.
Расстояние до токоведущего мундштука составляет 15...20 мм. Ро¬
тационный перенос электродного металла возникает при образова¬
нии длинного столба жидкости на конце оплавляющегося электрода.
Вследствие очень большого тока и значительной длины вылета
электрода температура образующейся капли настолько высока, что
электрод плавится уже без действия дуги. Расстояние до токоведу¬
щего мундштука в этом случае составляет 25...35 мм. Под действи¬
ем продольного магнитного поля столб жидкости вращается вокруг
своей оси и конически расширяется. Капли металла переходят в ра¬
диальном направлении в основной материал и создают относитель¬
но плоское и широкое проплавление.
Для сварочного процесса Highspeed применяют электродную
проволоку диаметром 1,0 и 1,2 мм. Более тонкие электроды ввиду
нестабильности их подачи при высоких скоростях менее пригодны.
Использовать более толстые электроды не рекомендуется, так как
3.1. Разомкнутые САР параметров процесса и оборудования
171
и этом случае не создается необходимая для вращения температу¬
ра конца электрода при технически целесообразной длине вылета
электрода.
Используемые сочетания проволоки и защитного газа включают
в себя сплошные или порошковые проволоки и стандартный двух¬
компонентный газ. Область применения охватывает нелегирован-
иые и мелкозернистые стали с пределом текучести до 500 МПа.
В диапазоне обычных длин дуги со струйным переносом исполь¬
зуют главным образом смеси газов на основе углекислоты. Ротаци¬
онный перенос достигается при применении кислородсодержащих
смесей, поскольку аргонокислородные смеси образуют длинный
столб жидкости и вместе с этим улучшают свойства вращения. Од¬
нако они требуют более высокого напряжения дуги и смещают ра¬
бочую зону струйного переноса к более высоким значениям тока.
Стандартные меси (82% Аг + 18% С02, 92% Аг + 8% С02) рас¬
ширяют обычный диапазон струйного переноса с использованием
сплошной проволоки диаметром 1,0 мм до скорости подачи прово¬
локи 24 м/мин, диаметром 1,2 мм - до скорости 23 м/мин.
Рутиловые и основные порошковые проволоки, напротив, мо¬
гул подаваться со скоростью до 30 м/мин. Для обеспечения рота¬
ционного переноса металла применяют стандартную смесь газов -
%% Аг + 4% 02. Благодаря этому уменьшается переходная область
между обычной и ротационной дугой при диаметрах проволоки
1,0 мм и 1,2 мм.
Для процесса Highspeed необходим источник питания инвертор¬
ного типа с быстрым переключением силовых элементов выпрями¬
тельного и инверторного блоков. Важным узлом является механизм
подачи проволоки. Четырехроликовый механизм подачи и двигатель
с высокими пусковым моментом и мощностью протяжки гаранти¬
рует стабильную скорость подачи проволоки до 30 м/мин. Горелка
должна выдерживать высокую термическую нагрузку. Ее конструк¬
ции требует одновременного водяного охлаждения контактного то¬
коведущего наконечника и газового сопла.
Область технологического применения способа - толстостенные
угловые и тавровые протяженные стыковые соединения строитель¬
ных конструкций и ферм.
Технология сварки WiseRoot. Технология предусматривает
цифровой контроль параметров на выходе сварочного аппарата - то¬
ка сварки и напряжения. Электроника отслеживает короткие замы¬
кания и контролирует точное время перехода капли металла с конца
172
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
Период короткого замыкания Период горения дуги
Рис. 3.18. Изменение сварочного тока и кинограммы дуги в процессе
сварки по способу WiseRoot
проволоки в сварочную ванну. Это инновационная технология сварки
модифицированной короткой дугой (зона с короткими замыканями
на рис. 3.14).
По технологии WiseRoot цикл сварки делится на два череду¬
ющиеся периода - короткого замыкания и период горения дуги
(рис. 3.18).
В период короткого замыкания поступающая проволока замыка¬
ется накоротко на сварочную ванну, ток резко увеличивается и оста¬
ется на заданном уровне. В начале этого периода, в момент контакта
кончика проволоки со сварочной ванной, происходит короткий рез¬
кий скачок сварочного тока. Этот скачок тока до заданного уровня
приводит к обжатию и разрушению жидкой перемычки между ка¬
плей и электродом. Капля плавно отделяется от кончика сварочной
проволоки. Плавное отделение капли обеспечивается медленным
уменьшением сварочного тока.
В момент переноса капли в сварочную ванну начинается второй
период возрастания тока, и происходит зажигание дуги. При управ¬
лении процессором точно фиксируются моменты отделения капли
и зажигания дуги. Точный контроль времени повышения и сниже¬
ния тока гарантирует отсутствие брызг при переходе от короткого
замыкания к горению дуги.
В период горения дуги формируется сварочная ванна и обеспе¬
чивается необходимое проплавление корня шва. Эти два периода
возрастания тока следуют один за другим, в конце каждого из них
ток устанавливается и держится на заданном уровне. Точно выстав¬
ленный и удерживаемый базовый ток гарантирует перенос каждой
следующей капли в течение периода короткого замыкания.
Непрерывный и точный контроль тока сварки в сочетании с под¬
держанием требуемой точной формы его изменения в процессе
сварки обеспечивают бесперебойное отделение капель и их перенос
3.1. Разомкнутые САР параметров процесса и оборудовании
173
и сварочную ванну практически без брызг. Это гарантирует стабиль¬
ность дуги и простоту управления процессом сварки.
Наиболее важным аспектом в технологии WiseRoot является
удержание дуги в головной части сварочной ванны. Нельзя сме¬
шить дугу к краю, так как сварочная проволока может проткнуть
сиирочную ванну насквозь и вызвать брызги со стороны корня шва.
Дуга должна удерживаться над центром сварочной ванны во вре¬
мя колебаний. Сварщик не должен задерживать дугу на сторонах
разделки при колебательном движении горелки, при этом нельзя
совершать слишком широкие колебания. Следует поддерживать
максимальную скорость сварки. Частота колебаний должна быть
выше, чем при обычной сварке короткой дугой сверху вниз. Тех¬
нология WiseRoot позволяет также выполнять сварку без колеба¬
ний. Это увеличивает скорость сварки, но ухудшает форму шва:
сто поверхность не будет такой же гладкой, как у шва, сваренного
с колебаниями.
Технология WiseRoot сочетает в себе новый метод сварки мо¬
дифицированной короткой дугой как корневого прохода при мно¬
гослойной сварке в щелевую разделку толстостенных изделий,
гак и сварки тонкого металла (до 5мм) с малыми деформациями
изделия. Сварочные синергетические кривые позволяют осущест¬
влять сварку низкоуглеродистых и легированных сталей во всех
пространственных положениях. Простота настройки режима
и общее удобство использования оборудования при этой техноло¬
гии сварки обеспечивают сварщику превосходную управляемость
дугой и высокую стабильность процесса при роботизированной
сварке.
Технология WiseRoot имеет следующие преимущества:
• более высокие производительность и скорость сварки;
• незначительное разбрызгивание;
• возможность выполнения корневого прохода и заполнения
шва на одном оборудовании;
• стабильность процесса сварки;
• малая чешуйчатость шва;
• возможность выполнения корневого прохода без подкладки;
• простота использования;
• возможность сварки во всех пространственных положениях.
Технология СМТ. Технология СМТ (Cold Metal Transfer) раз¬
работана фирмой Fronius (Австрия). Процесс основан на сварке
с короткими замыканиями (см. рис. 3.14). При обычном процессе
174
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
MIG/MAG-сварки с короткими замыканиями образование коротко¬
го замыкания сопровождается значительным повышением тока, что
приводит к росту тепловложения в основной металл. С технологией
СМТ ситуация иная: при первом обнаружении короткого замыка¬
ния ток снижается до минимально допустимого значения, в то же
время происходит отрыв капли за счет обратного движения свароч¬
ной проволоки. Вот почему перенос металла осуществляется при
токе, практически равном нулю, и поэтому вклад теплоты очень
мал. Во время горения дуги сварочная проволока подводится к ван¬
не. При подаче сварочной проволоки в сварочную ванну дуга га¬
сится, ток снижается для исключения разрыва перемычки. В момент
короткого замыкания при сниженном до минимума токе сварочная
проволока отводится назад для облегчения отделения капли. Прово¬
лока снова подается в сварочную ванну, зажигается дуга, начинается
новый цикл сварки.
На рис. 3.19 приведена последовательность кадров скоростной
киносъемки. В зависимости от того, какая характеристика процесса
выбрана, возвратно-поступательное движение может повторяться
до 70 раз в секунду. Кроме того, две особенности процесса, отмечен¬
ные выше (перенос электродного металла без тока (условно) и воз¬
вратно-поступательное движение электрода с заданной скоростью),
должны быть включены в систему управления.
б
Рис. 3.19. Процесс СМТ:
а - основной принцип; б - кадры киносъемки процесса сварки
3.1. Разомкнутые САР параметров процесса и оборудования
175
Технология СМТ имеет следующие преимущества по сравне¬
нию с обычными процессами MIG/MAG-сварки:
• благодаря малому тепловложению легкие и сверхлегкие листы
(толщиной менее 0,3 мм) могут быть соединены с наилучшим резуль-
татом (в случае механизированной и автоматизированной сварки).
') го именно та область, для которой был разработан процесс СМТ;
• применяемый способ контроля, позволяет измерять длину ду¬
ги и механически ее регулировать. Длина дуги измеряется и регу¬
лируется скорее «механически», чем «электрически» (путем изме¬
рений напряжения дуги, как это происходит в обычных процессах
MIG/MAG). Это делает процесс СМТ нечувствительным к измене¬
ниям профиля поверхности свариваемых деталей, скорости свар¬
ки, при которых изменяется напряжение дуги, а следовательно, и ее
длина. В результате получается очень стабильная дуга. Это означает
также и то, что в случае каких-либо быстрых изменений при робо¬
тизированной сварке дуга не будет прерываться;
• отсутствие брызг при сварке и пайке, что особенно проявляет¬
ся при СМТ-наплавке;
• обеспечение хорошего «покрытия» зазоров между сваривае¬
мыми деталями и более высоких скоростей сварки и наплавки;
• более стабильный сварочный процесс благодаря механическо¬
му слежению за дугой;
• практически полное отсутствие брызг даже при сварке в С02;
• возможность управления проплавлением стыка и геометрией шва;
• возможность сварки при большом зазоре;
• снижение требований к оснастке;
• высокая скорость сварки в ручном режиме (в 1,5- 2 раза выше,
чем при использовании традиционного полуавтомата).
Процесс СМТ представляет собой простой в применении способ
соединения стали с алюминием. Он характеризуется более чем удов-
нетворительными механическо-технологическими показателями ка¬
чества сварки. Внимание также привлекает не только возможность
соединения стали с алюминием, но и широкий спектр других пер¬
спективных областей применения, например пайка без образования
брызг листов с покрытием, сварка тонкостенных алюминиевых ли¬
стов или сварка магния. Проводятся многочисленные испытания,
которые определят дальнейшие возможности использования про¬
цесса СМТ.
Процесс STT. Технология процесса STT (Surface Tension Transfer)
ризработана фирмой Lincoln Electric. Процесс основан на переносе
176
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
металла серией управляемых коротких замыканий за счет сил поверх¬
ностного натяжения.
Перенос методом STT нельзя определить ни как процесс с жест¬
кой, ни как процесс с падающей ВАХ источника питания. Вместо
традиционной ВАХ сварочный ток регулируется автоматически
в зависимости от изменения напряжения сварочной дуги в цикле
сварки. Время реакции системы на изменения, происходящие в ду¬
говом промежутке, составляет несколько микросекунд. Параметры
дуги оптимизируются в каждый момент времени в течение всего
процесса образования и переноса каждой капли расплавленного ме¬
талла с электрода в сварочную ванну. Схема управления током дуги
позволяет исключить недостатки, свойственные обычному свароч¬
ному процессу, происходящему в режиме короткого замыкания, -
жесткую дугу и значительное разбрызгивание.
Рассмотрим схему процесса STT подробнее.
Эпюры тока и напряжения дуги и кадры киносъемки при управ¬
лении формой тока в процессе STT показаны на рис. 3.20 (зона с ко¬
роткими замыканиями на рис. 3.14).
5
Рис. 3.20. Технологический процесс сварки в С02 с переносом электрод¬
ного металла силами поверхностного натяжения (процесс STT):
а - эпюры тока ( ) и напряжения (—) на дуговом промежутке; б - кадры
киносъемки процесса STT
3.1. Разомкнутые САР параметров процесса и оборудования
177
Выделенные временные интервалы сварки характеризируют
следующие фазы процесса:
Т-Тх - фаза протекания через дугу базового тока, т. е. тока дуги
7Ю короткого замыкания со сварочной ванной. Его постоянное значе¬
ние может быть установлено между 50 и 100 А. Состояние дугового
промежутка отражено кадром 1 (см. рис. 3.20);
Т-Т - фаза формирования капли. При первом коротком замы¬
кании электрода на сварочную ванну датчик разности потенциа-
|цш на дуге обнаруживает это замыкание. Базовый ток снижается
до К) А и удерживается на этом значении примерно 0,75 мс. Состо¬
ишь дугового промежутка отражено кадром 2;
Т-Тъ - фаза обжатия капли и уменьшения диаметра шейки.
Вслед за формированием капли ток на закороченном электроде
возрастает. Перенос расплавленного металла в сварочную ванну
ускоряется за счет эффекта обжатия. Электрическое сопротивление
между электродом и каплей в этой фазе повышается. Шейка, соеди¬
няющая электрод с каплей, на этой фазе уменьшается вследствие ее
обжатия. Пропорционально росту сопротивления изменяется и раз¬
ность потенциалов на дуге. Изменение напряжения до заданного
значения указывает на то, что капля готова отделиться. Ток сни¬
жается до 5 А в течение нескольких микросекунд. Это происходит
до того, как электрод выходит из короткого замыкания со свароч¬
ной ванной. Состояние дугового промежутка в этой фазе отражено
кадром 3;
Т-Т4 - фаза отделения капли. Собственно отделение капли про¬
исходит в момент Т4 при низком токе и резко возрастающем на¬
пряжении дуги. После того как шейка между каплей и электродом
сужена до критического значения, существенно уменьшается си¬
па поверхностного натяжения, действующая на каплю со стороны
ыектрода. Происходят разрушение шейки, мягкое отделение капли
от электрода и ее плавный переход в сварочную ванну за счет пре¬
восходящих сил поверхностного натяжения, действующих на ка¬
плю со стороны сварочной ванны. Картина дугового промежутка
отражена кадром 4;
Г5-Г6 - фаза образования плазменного столба. Непосредствен¬
но за отделением капли и прерыванием короткого замыкания меж¬
ду электродом и сварочной ванной на электрод в момент Т5 пода¬
ется импульс тока, вызывающий активизацию плавления электрода
и поддерживающий длину дуги. Реактивные силы, действующие
ни электрод со стороны катода сварочной ванны, поджимают вверх
178
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
начавшую формироваться каплю, удлиняя дугу и исключая воз¬
можность преждевременного возникновения короткого замыкания.
Одновременно большая тепловая мощность, сосредоточенная в им¬
пульсе тока на этой фазе, выполняет задачу улучшения сплавления
и смачивания, на короткое время расширяя дугу и вызывая сильный
эффект катодного прогрева. Состояние дугового промежутка отра¬
жено кадрами 5, 6.
t-tb - фаза стабилизации горения дуги. В этой фазе ток дуги
плавно снижается до базового значения, предотвращая ведущее
к перемешиванию сварочной ванны ударное воздействие электро¬
динамических сил. При необходимости для улучшения прогрева из¬
делия в этой фазе можно задать повышенное значение базового тока.
Большую роль в процессе играет стабилизация объема расплав¬
ленного металла, образующегося в каждом цикле. Она позволяет
компенсировать изменение длины вылета электрода.
Влияние основных параметров процесса STT на технологи¬
ческие свойства сварного шва. Скорость подачи сварочной про-
волоки влияет на скорость наплавки. Более высокая скорость подачи
предопределяет более высокую скорость сварки.
Пиковый ток управляет длиной дуги и формой наплавленного
валика. Повышение пикового тока приводит к увеличению длины
дуги и формированию более плоской внешней поверхности шва.
Высокие значения пикового тока могут привести к образованию во¬
гнутой поверхности. Пиковый ток обычно выше базового и лежит
в диапазоне значений 250.. .400 А.
Базовый ток определяет общее тепловложение и форму обрат¬
ного валика. Если базовый ток очень высокий, то в верхней части
трубы будет наблюдаться чрезмерное проплавление, а в потолоч¬
ном положении - провал. Значение базового тока ниже пикового
и составляет 25... 100 А.
Горячий старт регулирует время действия стартового тока, пре¬
вышающего на 25-50% установленное значение, для облегчения за¬
жигания и компенсации влияния холодной детали на процесс.
Расход газа в данном процессе обычно ниже, чем при обычной
сварке в среде защитного газа, так как размер ванны меньше. Свар¬
ка STT относится к так называемым холодным процессам. Общее
количество теплоты, выделяемое дугой, значительно ниже, чем при
обычной механизированной сварке в среде защитного газа. Одна¬
ко это не приводит к образованию такого дефекта, как несплавле-
ние, потому что малый размер сварочной ванны позволяет сварщику
3.1. Разомкнутые САР параметров процесса и оборудования
179
постоянно контролировать положение дуги в головной части ванны.
Нмсокий расход газа (до 12 л/мин) может значительно охладить сва¬
рочную ванну. Расход газа увеличивают в случае, если сварка проис¬
ходит в полевых условиях при ветровых нагрузках.
Прецизионное управление переносом металла в зону сварки
но схеме STT, проводимой в среде защитного газа, обеспечивает:
• минимальное разбрызгивание;
• значительное снижение дымообразования;
• гарантированное проплавление и высокое качество обратного
шишка.
11роцесс хорошо зарекомендовал себя при сварке с различными
инцитными газами, включая 100% диоксида углерода и его смеси
с аргоном и гелием.
11рименение процесса STT эффективно для выполнения кор¬
невого прохода при сварке трубопроводов. При сварке корня шва
с помощью традиционного механизированного процесса не проис¬
ходит непосредственного управления сварочным током, управляе¬
мым параметром является среднее напряжение. При таком методе
управления всегда есть существенный риск перегрева сварочной
нпппы и снижения ее вязкости ниже допустимого уровня. Управле¬
ние сварочным током и скоростью подачи сварочной проволоки при
процессе STT ведут независимо, поэтому поддерживать температу¬
ру к вязкость сварочной ванны значительно проще. Следовательно,
цегче достичь качественного проплавления. Именно это свойство
процесса STT делает его весьма удобным и эффективным для вы¬
полнения корневого прохода. Оператору достаточно просто удержи-
ши ь дугу на передней кромке сварочной ванны.
3.1.5. САР параметров дуги и процесса формирования шва
при автоматической сварке под флюсом
Сварка под флюсом выполняется проволокой диаметром 1.. .6 мм
при токе 150.. .2 000 А и напряжении 22.. .44 В. Статическая характе¬
ристика дуги соответствует соотношению U = 19 + 0,037/ при токе
до I 000 А и (/д = 13 + 0,0315/д при токе до 2 000 А. Для поддержа¬
ния непрерывного горения дуги при сварке с диаметром электрода
до 5 мм используют эффект саморегулирования, при большем диа¬
метре электрода применяют автоматическое регулирование напря¬
жения дуги.
11ри сварке с постоянной скоростью подачи проволоки источник
питания должен иметь жесткую или пологопадающую характеристику
180
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
Рис. 3.21. Характеристики источника питания для механизированной
сварки под флюсом
с коэффициентом наклона -0,01 ...-0,10 В/A. Сварочный ток на¬
страивают с помощью регулятора скорости подачи проволоки, а ре¬
гулятор источника используют для настройки напряжения дуги.
На рис. 3.21, а показано, как происходит изменение рабочего напря¬
жения U в зависимости от напряжения холостого хода £/хх; часто
для этих целей изменяют и сопротивление источника, т. е. наклон
его характеристики.
При сварке с автоматическим регулированием напряжения дуги
источник должен иметь падающую характеристику с коэффициентом
наклона -0,07.. .-0,30 В/A. Этим обеспечивается устойчивость систе¬
мы источник питания - дуга. Напряжение дуги задается автоматиче¬
ским регулятором (U ~ £/), поэтому регулятор источника использу¬
ется для настройки тока. На рис. 3.21, б показано, как изменяется сила
тока в зависимости от сопротивления источника.
Сварочные автоматы с постоянной скоростью подачи элек¬
трода. Простейшие САР энергетических параметров дуги (тока
и напряжения) при сварке под флюсом состоят из механизма пода¬
чи МП электродной проволоки и источника питания ИП (рис. 3.22).
Скорость подачи электрода в процессе сварки не изменяется. В ли¬
тературе их называют системами автоматического регулирования
дуги саморегулированием (АРДС). В этих системах механизм пода¬
чи электрода - задающий орган, а постоянная скорость подачи элек¬
трода vn - задающий параметр, путем изменения которого устанав¬
ливают требуемую силу тока I в сварочном контуре.
Точность работы системы саморегулирования зависит от соотноше¬
ния коэффициентов саморегулирования по току кст и напряжению ксн.
3.1. Разомкнутые САР параметров процесса и оборудования
181
Рис. 3.22. Функциональная схема системы АРДС
г)ти коэффициенты характеризуются отношением приращения скоро¬
сти подачи Ауэ к приращению соответственно по току дуги Д/д и напря¬
жению на дуге А {Уд.
Система АРДС стабилизирует с определенной статической
ошибкой сварочный ток при колебании напряжения сети. Экспери¬
менты показывают, что относительная ошибка по току при дуговой
сварке под флюсом при изменении напряжения на дуге от 30 до 50 В
в системах АРДС не превышает 10%.
Сварочное автоматы с регулируемой скоростью подачи про¬
волоки. В этом случае в схему системы АРНД (рис. 3.23) в отличие
от систем АРДС дополнительно входит специальное устройство (ре¬
гулятор), стабилизирующее напряжение дуги путем принудитель¬
ного изменения скорости подачи проволоки vn. Регулятор состоит
Рис. 3.23. Функциональная схема системы АРНД
при дуговой сварке под флюсом
182
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
из редуктора Рд, исполнительного двигателя постоянного тока М,
усилителя мощности У, устройства сравнения УС с предваритель¬
ным усилителем, задатчика напряжения ЗН. При функционирова¬
нии регулятора напряжение дуги U с помощью УС сопоставляется
с заданным напряжением (/, сформированном в блоке ЗН. Разность
U^ - £У в блоке УС предварительно усиливается по напряжению
в к раз и в виде сигнала управления U подается на вход блока У.
Усиленный по мощности сигнал подается на якорь двигателя М, ко¬
торый с помощью блока Рд и подающего ролика перемещает про¬
волоку (плавящийся электрод) со скоростью подачи vn. Значение vn
пропорционально напряжению на якоре двигателя.
С использованием регулятора можно автоматизировать процесс
зажигания дуги. Перед началом сварки электрод закорачивается
на изделие, зона сварки засыпается флюсом. После включения ис¬
точника питания на промежутке электрод - изделие падение напря¬
жения не превышает 7 В, что существенно ниже рабочего напря¬
жения дуги. Следовательно, разность £Уд - £/ < 0. Получаемая при
этом полярность напряжения на якоре двигателя приводит к направ¬
лению вращения двигателя в сторону отрыва проволоки от изделия.
На образовавшемся промежутке электрод - изделие возникает дуга,
и напряжение дуги возрастает.
В момент, когда U - £У > 0, происходит реверс двигателя, что
обеспечивает подачу проволоки к изделию. Установившийся про¬
цесс горения дуги будет соответствовать условию vn = vy Нарушение
последнего равенства при действии возмущений в системе АРНД
устраняют регулятором в процессе сварки.
Уравнение статической характеристикой регулятора в системе
АРНД имеет вид
(3-3)
где &pei = Avn/A- коэффициент передачи регулятора.
В установившемся режиме горения дуги (vn = у^) скорость плав¬
ления проволоки для кси < 0
*п=*,Л-*слДд- (3-4)
Решив совместно уравнения (3.3) и (3.4) при условии vn = уэ,
определим регулируемый параметр U в виде
к к
иа = -—+-——г/,,
*рег + Г
Сг +К.
(3.5)
3.1. Разомкнутые САР параметров процесса и оборудования
183
ИЛИ
£/„ =-
(3.6)
где U° =
—^—U
k А-к 3
Vr ^ Лс.н
- заданное напряжение дуги.
Формула (3.5) представляет собой уравнение статической харак¬
теристики устойчивого горения дуги системы АРНД. Как и для си¬
стемы АРДС, эта характеристика является геометрическим местом
точек, соответствующих устойчивому процессу горения дуги, когда
гп = уз, при различных характеристиках источника питания.
Совместное расположение ВАХ питающей системы 4 и статиче¬
ской характеристики 1 системы АРНД, построенное по уравнениям
(3.5) и (3.6), представлено на рис. 3.24.
Угол наклона статической характеристики АРНД 1 к линии U =
- const, соответствующей идеальной статической характеристике
системы при крсг —> «э,
а = arctg
*рег+*с.„
Рис. 3.24. Совмещенные ВАХ устойчивого горения дуги (1-3) и пита¬
ющей системы (4 и 4') для системы АРНД с плавящимся электродом
при сварке под флюсом
184
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
При постоянных значениях к и к угол а в соотношении
тем больше, чем меньше к . Так, характеристика 2 имеет значение
к . 2 < &рег,. При настройке АРНД на заданный режим сварки раз¬
ность напряжений Д£/ = U - U называют статической ошибкой
по напряжению дуги. Для настройки системы АРНД на различные
режимы сварки необходимо изменять параметры как автоматическо¬
го регулятора, так и питающей системы.
Наиболее простой вариант, когда коэффициент креу достаточно ве¬
лик. В этом случае при задании напряжения дуги £/з° после выхода
системы на устойчивый режим сварки напряжение на дуге Uд практи¬
чески равно £/3°. Идеальная статическая характеристика системы
АРНД соответствует линии £/д = const. При конечном значении крег на¬
стройка системы на заданное напряжение дуги £/з° осуществляется
изменением задающего параметра £/3°, например до £/301 (характери¬
стика 3), а настройка на заданный ток дуги - изменением индуктивно¬
го сопротивления дросселя в сварочном контуре (характеристика 4').
При малых коэффициентах крег настройка системы АРНД не¬
сколько сложнее. Из рис. 3.24 следует, что для настройки системы
АРНД на одно и то же напряжение дуги при заданной скорости vn и,
следовательно, заданном токе дуги задающий параметр £/з° должен
быть тем меньше, чем меньше коэффициент передачи регулятора.
Задающий параметр можно уменьшать до установленного предела.
Минимальный задающий параметр £/3min должен обеспечить реверс
исполнительного двигателя или, в крайнем случае, прекращение по¬
дачи проволоки при коротком замыкании электрода с деталью.
Следовательно, если
v =к U™-k f/min <0,
н per з per з ’
ТО
t/,min >и™. (3.7)
При сварке под флюсом напряжение короткого замыкания элек¬
трода на деталь составляет 5...7 В, поэтому f/3m,n в соотношении (3.7)
следует выбирать не менее 7 В.
Ток дуги можно изменить путем изменения характеристик пи¬
тающей системы (например, индуктивного сопротивления дросселя
в сварочной цепи).
Пределы возможной настройки на различные режимы сварки
в АРНД с небольшим крег могут быть ограничены из-за того, что при
сварке с большими плотностями тока, когда скорость уэ велика, при
3.1. Разомкнутые САР параметров процесса и оборудования
185
минимальном задающем параметре (У3тш получаемое напряжение
на дуге выше требуемого. Для того чтобы система АРНД обеспечи¬
вала настройку на заданные режимы сварки, минимально допусти¬
мый коэффициент передачи регулятора определяют из условия
шах
min [э
per j r min t j min ’
U л U э
где v™x - максимальная скорость плавления проволоки при задан¬
ных режимах сварки и диаметре электрода.
САР тока и напряжения дуги с воздействием на питающую
систему. Эти системы, называемые системами АРП, отрабатывают
возмущения воздействием на параметры источника питания - напря¬
жение холостого хода t/x х или сопротивление сварочного контураХ{.
При рассмотрении особенностей систем АРП целесообразно их
подразделить на астатические (с механическим приводом) и стати¬
ческие (с воздействием на питающую систему через электрические
параметры).
Системы АРП применяют для улучшения качества регулирова¬
ния основной системы АРДС, так как она не отрабатывает возмуще¬
ния, действующие на питающую систему (возмущения по напряже¬
нию сети Д£/с, изменению сопротивления XL в сварочной цепи
вследствие нагрева).
В последние годы для автоматической сварки под флюсом раз¬
работаны источники питания с импульсным регулированием ре¬
жима сварки. Эти системы путем регулирования параметров би¬
полярных импульсов позволяют управлять формированием шва
при действии технологических возмущений в системе источник
питания - дуга - изделие.
При использовании прямоугольных импульсов с программируе¬
мыми частотой и амплитудой удается повысить коэффициент наплав¬
ки, глубину проплавления и ширину шва. При сварке несколькими
дугами фаза и частота источников синхронизируется для исключения
взаимовлияния дуг и магнитного дутья. Прямоугольные импульсы
обеспечивают значительно большую стабильность горения дуги, не¬
жели переменный ток, за счет сокращения времени перехода с поло¬
жительной на отрицательную полуволну. При этом положительное
значение тока в цикле отвечает за проплавление, а отрицательное -
за наплавку. Плавное регулирование длительности положительной
и отрицательной полуволн позволяет изменять соотношение между
шириной наплавляемого металла и глубиной проплавления.
186
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
3.1.6. Системы управления параметрами процесса
и оборудования контактной сварки
Объект автоматического управления при контактной сварке -
технологический процесс, который характеризуется электрически¬
ми и тепловыми полями, а также пластическими деформациями
в зоне сварки.
Управляющие и возмущающие воздействия, определяющие
формирование сварного соединения, прикладываются к сварочной
машине и непосредственно к зоне сварки. Основные параметры про¬
цесса точечной и шовной сварки: сварочный ток / в; время сварки /св;
время импульса /и; время паузы /п между импульсами сварочного то¬
ка; сила сжатия электродов; размеры рабочей поверхности элек¬
тродов и роликов; скорость перемещения vcb свариваемых деталей
(для шовной сварки).
Системы регулирования и управления процессами точечной
и шовной сварки. В связи с кратковременностью процесса контакт¬
ной сварки в одном цикле обеспечить стабилизацию параметров ре¬
жима и соответственно высокое качество сварных соединений без
автоматического регулирования практически невозможно. В тече¬
ние короткого времени (сотые доли секунды и менее) САР должна
измерить регулируемый параметр, сравнивая его с уставкой, и вы¬
дать управляющий сигнал, обеспечивающий стабилизацию различ¬
ных параметров режима сварки. Современные регуляторы состо¬
ят из сложных электронных узлов, различающихся по устройству
и выполняемым функциям.
В зависимости от параметров регулирования САР процесса кон¬
тактной сварки можно разделить на две большие группы: I - САР
электрических параметров режима сварки; II - САР физических па¬
раметров режима сварки.
К группе I относят регуляторы сварочного тока / в, параметра /”в/,
мощности Рсв, энергии Wсв, падения напряжения между электрода¬
ми AU. В группу II входят регуляторы температуры t° околоэлектрод-
ной зоны и инфракрасного излучения, перемещения Аhi электродов
под действием теплового расширения металла, электрического сопро¬
тивления /?дет свариваемых деталей, частоты А/п пульсаций при стыко¬
вой сварке. Возможны системы регулирования двух и более параме¬
тров - как электрических, так и физических (комбинированные САР).
Обобщенная функциональная схема САР по отклонению ре¬
гулируемого параметра приведена на рис. 3.25. В схеме имеется
3.1. Разомкнутые САР параметров процесса и оборудования
187
Рис. 3.25. Обобщенная функциональная схема САР контактной сварки
по отклонению регулируемого параметра
отрицательная обратная связь по регулируемому параметру, с по¬
мощью которой обеспечивается стабилизация параметра регули¬
рования.
Регуляторы сварочного тока. Сварочный ток является одним
из основных параметров, характеризующих режим сварки. Ток
определяют специальными измерительными преобразователями,
в качестве которых используют шунты, трансформаторы тока, пояс
Роговского, датчики Холла и др. Поскольку вторичные токи контакт¬
ных машин достигают несколько десятков и даже сотен килоампер,
наиболее удобным датчиком тока является пояс Роговского. Датчики
Холла используют для измерения больших токов, однако они недо¬
статочно стабильны, особенно при колебаниях температуры окру¬
жающей среды. Шунты и измерительные трансформаторы на боль¬
шие токи имеют слишком громоздкую конструкцию.
Заданный устройством управления сварочный ток может изме¬
ниться в процессе сварки под действием различных возмущений:
колебаний напряжения питающей сети £/с, изменения сопротивле¬
ния Rk контура сварочной машины, изменения сопротивления свари¬
ваемых деталей R . Для стабилизации сварочного тока на заданном
уровне применяют регуляторы.
Рассмотрим эффективность регулирования по падению напря¬
жения между электродами с помощью упрощенной модели свари¬
ваемой точки. На рис. 3.26, а, 6 представлены два варианта модели:
188
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
Рис. 3.26. Модель свариваемой точки
соответственно без шунтирования сварочного тока соседней свар¬
ной точкой и с шунтированием части тока соседней сварной точкой.
В первом варианте модели принято, что ток проходит только через
центральный столбик металла диаметром dQ и равномерно распреде¬
лен по его сечению, плотность тока равнау(/), контактные сопротивле¬
ния отсутствуют. Во втором варианте модели часть тока, проходящего
через центральный столбик металла, ответвляется и протекает через
ранее сваренную точку (току (/)). С увеличением степени шунтирова¬
ния составляющая тока у (/) возрастает, а составляющая jx(t), которая
проходит через центральный столбик, уменьшается.
Таким образом, поддерживая постоянным напряжение {У на элек¬
тродах при неизменных плотности материала р и расстоянии 8,
можно обеспечить постоянство мощности, выделяемой в деталях.
При f/ = const мощность не зависит от диаметра электрода и от силы
сжатия электродов. В противоположность этому в регуляторах, обе¬
спечивающих условие / в = const, при изменении диаметра электрода
и давления мощность, выделяемая в деталях, будет изменяться.
Системы автоматического регулирования и управления про¬
цессами контактной стыковой сварки. Нагрев металла при контакт¬
ной стыковой сварке происходит за счет работы тока на переходном со¬
противлении электрического контакта в месте стыка. Стыковую сварку
подразделяют на сварку сопротивлением и сварку оплавлением.
При сварке сопротивлением свариваемые изделия пред¬
варительно сводят до соприкосновения с определенной силой, после
чего включается ток, который проходит через свариваемые детали
и нагревает их до температуры плавления или близкой к ней.
3.1. Разомкнутые САР параметров процесса и оборудования
189
Стыковую сварку оплавлением подразделяют на сварку
непрерывным оплавлением и сварку с предварительным подогревом.
11ри стыковой сварке непрерывным оплавлением к зажимам машины
и соответственно к свариваемым деталям подводят напряжение от
сварочного трансформатора, затем детали начинают сближаться с не¬
большой скоростью. При соприкосновении деталей между их торца¬
ми образуются отдельные контактные перемычки, которые расплав¬
ляются протекающим током и в виде искр удаляются из зоны сварки.
При сварке оплавлением с предварительным подогревом детали
перед оплавлением в большинстве случаев подогревают током при пе¬
риодическом сжатии торцов с небольшим усилием и их размыканием.
В этом случае нагрев при сжатии детали аналогичен нагреву при стыко¬
вой сварке сопротивлением. Далее процесс сварки проходит так же, как
при стыковой сварке непрерывным оплавлением. Чтобы избежать мест¬
ного перегрева металла, процесс проводят при повторно-кратковремен¬
ном протекании тока.
Прерывание тока осуществляют разрывом сварочной цепи при
возвратно-поступательном движении одной из деталей либо пери¬
одическим отключением первичной обмотки сварочного трансфор¬
матора от сети. Второй способ применяют редко, поскольку он тре¬
бует точной обработки торцов заготовок под сварку.
Согласно классификации, приведенной на рис. 3.27, выделяют
три группы систем управления подогревом.
Рис. 3.27. Классификация систем управления предварительным
подогревом
190
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
Системы первой группы. Процесс прерывистого подогрева са¬
мопроизвольно заканчивается, когда торцы заготовок нагреваются
настолько, что возможно устойчивое оплавление при установлен¬
ной скорости перемещения. Управление приводом возвратно-посту¬
пательного перемещения подвижной плиты машины в этом случае
осуществляется на основе информации о значении тока (или напря¬
жения) короткого замыкания торцов заготовок. Когда ток (или на¬
пряжение) принимает установившееся значение, соответствующий
датчик (например, реле тока или напряжения с регулируемой устав¬
кой) вырабатывает сигнал для перехода привода перемещения в ре¬
жим непрерывного оплавления.
Системы второй группы. Наибольшее распространение полу¬
чили системы программного управления подогревом. Обычно про¬
граммируется длительность импульсов тока короткого замыкания
и пауз между ними, а также общее время подогрева. Команда перехо¬
да от подогрева к оплавлению подается счетчиком импульсов. После
отработки заданного числа импульсов подогрева по сигналу счет¬
чика скорость перемещения подвижной плиты машины снижается,
что обеспечивает гарантированный переход к режиму устойчивого
оплавления.
Принудительный переход к непрерывному оплавлению возмо¬
жен и без изменения скорости перемещения плиты машины, ес¬
ли повысить вторичное напряжение сварочного трансформатора
по окончании цикла подогрева.
Системы третьей группы. Влияние колебаний напряжения сети
и сопротивления сварочного контура машины на температурное по¬
ле в деталях перед переходом к режиму непрерывного оплавления
можно уменьшить при использовании систем автоматического ре¬
гулирования подогрева с обратными связями по энергии, мощности
или температуре металла.
По сравнению со сваркой непрерывным оплавлением с программ¬
ным управлением напряжением и скоростью оплавления при приме¬
нении предварительного подогрева сопротивлением увеличиваются
потребляемая мощность в 4-5 раз, расход электроэнергии в 2-3 раза
и время сварки в 1,5-2 раза. Несмотря на указанные недостатки, при¬
менение предварительного подогрева сопротивлением в некоторых
случаях целесообразно. Если поперечное сечение свариваемых де¬
талей велико, а сопротивление короткого замыкания машины зна¬
чительно, то без предварительного подогрева заготовок обеспечить
устойчивое оплавление не удается. Из-за особых теплофизических
3.1. Разомкнутые САР параметров процесса и оборудования
191
свойств цветных металлов и сплавов получить требуемую зону по¬
догрева в деталях с площадью сечения 10 000... 16 000 мм2 непрерыв¬
ным оплавлением трудно, поэтому при их сварке также применяют
предварительный подогрев.
3.1.7. Системы управления параметрами процесса
и оборудования ЭЛС
Установки для ЭЛС как объект автоматизации представляют со¬
бой сложный комплекс, в который входят прецизионное электро¬
механическое высокопроизводительное вакуумное и мощное энер¬
гетическое оборудование. Высокая скорость сварки, ограниченные
возможности для визуального наблюдения создают трудности опе¬
ратору даже высокой квалификации в управлении процессом сварки.
11ри ЭЛС ответственных изделий высокие требования предъявляют
к качеству сварных соединений, надежности и воспроизводимости
технологического процесса, поэтому стремление к его максималь¬
ной автоматизации вполне закономерно.
Комплексная автоматизация и создание АСУ ТП ЭЛС предусма¬
тривают решение следующих основных задач:
• автоматизация основных и вспомогательных операций техно¬
логии ЭЛС;
• улучшение качества ЭЛС за счет оптимизации его режимов;
• повышение надежности функционирования систем управле¬
ния в результате применения современных методов диагностики
и прогнозирования работоспособности;
• распознавание аварийных ситуаций и разработка алгоритмов
функционирования систем в нестандартных ситуациях;
• выдача информации о ходе процесса сварки с фиксацией от¬
клонений от заданных параметров режима с привязкой их к сварно¬
му шву.
Способы регулирования мощности пучка. Наиболее широ¬
кое распространение получили следующие способы регулирования
мощности пучка электронов сварочных пушек: изменение тока эмис¬
сии катода, изменение тока пучка подачей напряжения на управляю¬
щий электрод пушки и изменение ускоряющего напряжения.
В случае управления током пучка путем регулирования нака¬
ла (тока эмиссии катода) катод не работает в режиме ограничения
тока эмиссии пространственным зарядом и граничные условия
вдоль потока электронов не остаются постоянными. При этом из¬
меняются угловая апертура пучка, положение и размеры кроссовера.
192
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
Соответственно изменению тока пучка, а значит, и смещению крос¬
совера можно запрограммировать необходимый ток магнитной лин¬
зы, чтобы положение фокусного пятна на изделии осталось постоян¬
ным. Однако это не удается выполнить с помощью линзы, требуется
усложнение конструкции пушки.
При регулировании тока пучка путем изменения ускоряющего
напряжения удается управлять мощностью в пучке практически
без изменения положения кроссовера. В диапазоне используемых
напряжений при работе катода в режиме ограничения тока эмис¬
сии пространственным зарядом полная проводимость пучка оста¬
ется неизменной, а следовательно, стабилизируются электрические
условия вдоль границ пучка; положение кроссовера и угол расхо¬
димости пучка будут постоянными. Для стабилизации фокусного
расстояния магнитной линзы при этом способе в процессе сварки
дополнительно необходимо изменять ток магнитной линзы в функ¬
ции ускоряющего напряжения. Важно также поддерживать постоян¬
ным ток накала в катоде.
Функциональные схемы регуляторов мощности пучка рас¬
смотрим на примере источников питания типа ИВ и фирмы «Си-
аки» (Франция) совместно с их комплексами управления. Для ре¬
гулирования мощности пучка в них используется управление
ускоряющим напряжением (рис. 3.28) или силой тока пучка электро¬
нов (рис. 3.29). В схеме на рис. 3.28 мощность пучка вычисляется
в блоке умножения 3. В нем происходит перемножение сигналов,
Рис. 3.28. Функциональная схема системы регулирования мощности
пучка путем изменения ускоряющего напряжения
3.1. Разомкнутые САР параметров процесса и оборудования
193
снимаемого с резисторов R2, R3, пропорционального ускоряющему
тшряжению U 9 и с резистора R1, пропорционального току пуч¬
ки /. Вычисленная мощность пучка в блоке 4 сравнивается с устав¬
кой требуемой мощности, задаваемой блоком 5. Сигнал рассогла¬
сования через усилитель 6 и силовой блок 7 с помощью регулятора
ускоряющего напряжения 1 управляет напряжением на входе сило¬
вого выпрямителя ускоряющего напряжения 2.
Для стабилизации фокусного расстояния магнитной линзы при
изменении ускоряющего напряжения в схеме введена цепь кор¬
рекции тока магнитной линзы с помощью функционального блока
управления 9, который через источник тока 10 воздействует на ток
фокусирующей магнитной линзы ФС (см. рис. 3.28).
Схема допускает управление током в отклоняющей системе ОС
с помощью регулируемого источника 8. Для исключения влияния
па процесс изменений тока накала катод электронной пушки ЭП за¬
питывают от стабилизированного источника 11.
В регуляторе мощности пучка путем изменения тока пучка
(см. рис. 3.29) в качестве регулирующего воздействия используют
изменение управляющего напряжения U на прикатодном элек¬
троде. Как и в схеме на рис. 3.28, мощность пучка вычисляется
блоком умножения 3 и сравнивается в узле сравнения 4 с уставкой
ио мощности, задаваемой блоком 5. Сигнал рассогласования по¬
ступает на регулятор тока пучка, состоящий из усилителя сигна¬
ла рассогласования 6, усилителя-преобразователя 7 с выходным
Рис. 3.29. Функциональная схема системы регулирования мощности
пучка путем изменения тока пучка
194
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
каскадом 8. В процессе регулирования тока пучка электронов
ускоряющее напряжение, ток накала катода, ток магнитной лин¬
зы ФС и ток ОС поддерживаются постоянными на уровне задан¬
ных уставок соответственно блоками стабилизации 9, 70, 7/, 72.
Блок 72 управляет напряжением £/уск через регулятор 7 и силовой
выпрямитель 2.
Устройства управления током пучка электронов. Управление
током пучка предусматривает его регулирование, стабилизацию за¬
данного значения, импульсную модуляцию и плавное уменьшение
при прекращении процесса сварки (вывод кратера). Перечисленные
функции в аппаратуре с триодными пушками обычно выполняют¬
ся с помощью блоков, условно называемых модуляторами. В ап¬
паратуре с диодными пушками управление током пучка осущест¬
вляется изменением либо температуры катода, либо ускоряющего
напряжения.
Ток пучка в триодных электронных прожекторах регулируют из¬
менением потенциала управляющего электрода.
Модуляцию пучка по амплитуде тока первоначально использо¬
вали только при размерной обработке материалов. В процессе им¬
пульсной размерной обработки удается уменьшить общее термиче¬
ское воздействие пучка электронов на металл и сократить размеры
зоны термического влияния за счет уменьшения потерь теплопрово¬
дности. При этом средняя за период мощность пучка остается по¬
стоянной, хотя выделение теплоты происходит за время, меньшее
продолжительность паузы. Оптимальные режимы обработки зави¬
сят от рода материала и его толщины: частоту импульсов выбирают
от нескольких единиц до 3 000 Гц, длительность импульса - от не¬
скольких единиц до 50 мс. При ЭЛС импульсный режим также по¬
зволяет снизить тепловложение и уменьшить размеры зоны терми¬
ческого влияния, что особенно важно в случае сварки тонкостенных
изделий. При соединении металлов большой толщины с помощью
импульсной сварки удается избежать образования в швах макро¬
пористости. Швы получаются более равномерными по форме про¬
плавления на всей длине сварного стыка. При одинаковой средней
мощности пучка глубина проплавления модулированным по току
пучком больше на 15...20%.
Практика показывает, что для подбора оптимальных импульс¬
ных режимов при сварке модулятор сварочной пушки должен обе¬
спечивать регулирование частоты, длительности импульса и тока
в импульсе.
3.1. Разомкнутые САР параметров процесса и оборудовании
195
Импульсный режим работы электронной пушки достигается
подачей импульсов на управляющий электрод, в результате чего
пучок электронов «отпирается» на время, равное длительности
импульса.
Устройства для фокусировки пучка электронов. При прочих
равных условиях глубина проплавления при ЭЛС пропорциональ¬
на диаметру электронного пучка. В пушках с электромагнитной фо¬
кусировкой диаметр пучка определяется током магнитной линзы
и ускоряющим напряжением.
Расчеты и эксперименты показывают, что для постоянства глу¬
бины проплавления отклонение стабилизации тока магнитной лин¬
зы не должно превышать 0,3...0,5 номинального значения.
Для сохранения условий оптимальной фокусировки при регули¬
ровании ускоряющего напряжения необходимо, чтобы ток фокуси¬
рующей линзы изменялся в соответствии с зависимостью
где кх - коэффициент пропорциональности.
В рабочем диапазоне ускоряющих напряжений ({Ууск ~ 20.. .30 кВ)
формула может быть аппроксимирована линейной зависимостью
^'оп+Wck.
где /оп - опорный ток линзы, неизменный для данного фокусного
расстояния; к2 - коэффициент пропорциональности, определяющий
обратную связь тока магнитной линзы по ускоряющему напряже¬
нию для линеаризованного участка.
Как правило, фокусировку пучка электронов относительно по¬
верхности свариваемой детали оператор выполняет визуально.
Очевидно, что точность визуальной фокусировки зависит от навы¬
ка оператора, поэтому она малопригодна при сварке изделий ответ¬
ственного назначения.
Известно устройство автоматической фокусировки пучка элек¬
тронов по вторично-эмиссионному сигналу на датчике КВЭ при
сканировании пучка электронов поперек стыка. В этом устрой¬
стве использован принцип определения диаметра пятна в фокусе
по длительности импульса тока вторичной электронной эмиссии,
формируемого в цепи коллектора датчика при пересечении пучком
электронов стыка свариваемых изделий. Практический интерес для
этого случая представляет устройство, схема которого приведена
на рис. 3.30.
196
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
Коллектор вторичных электронов 6 представляет собой изолиро¬
ванный металлический электрод произвольной формы, расположен¬
ный над свариваемым изделием 7 вблизи от сварочной электронной
пушки, но за пределами пучка электронов.
При сканировании пучка электронов, который формируется ка¬
тодом /, прикатодным электродом 2 и ускоряющим анодом 3 с опре¬
деленной частотой поперек стыка (но без оплавления последнего)
в цепи коллектора возникают импульсы тока.
Амплитуда импульса обратно пропорциональна диаметру пуч¬
ка, а длительность импульса прямо пропорциональна ему. Дли¬
тельность импульса также зависит от зазора в стыке. Поддерживая
по прибору 17 или автоматически сигнал в цепи коллектора макси¬
мальным, можно с высокой точностью фокусировать пучок относи¬
тельно поверхности изделия.
В автоматическом режиме устройство работает следующим об¬
разом. Во время сварки пучок электронов периодически на некото¬
рое время с помощью отклоняющей системы 5 и блоков развертки 9
и 10 отклоняется вперед в направлении сварки за пределы сварочной
ванны и там разворачивается поперек стыка.
На время развертки открывается вход измерительного усили¬
теля //, на который поступает выделенный на резисторе 8 вторич¬
но-эмиссионный сигнал. Этот сигнал дифференцируется в блоке 12
и поступает в блок экстремального регулятора 13, который соединен
1
Рис. 3.30. Функциональная схема устройства для автоматической фокуси¬
ровки пучка электронов по вторично-эмиссионному сигналу
3.1. Разомкнутые CAP параметров процесса и оборудования
197
с управляемым источником тока 15 фокусирующей магнитной лин¬
зы 4. Он поддерживает силу тока магнитной линзы на уровне, со¬
ответствующем максимуму сигнала на входе экстремального
регулятора.
Такое устройство обеспечивает неизменное положение фокус¬
ною пятна пучка на поверхности детали. При сварке металлов боль¬
шой толщины фокусное пятно пучка должно располагаться ниже
поверхности детали. Для коррекции положения фокусного пятна
и устройство введен корректор 14, изменяющий через источник 15
кж магнитной линзы 4 до требуемого уровня в тот момент, когда пу¬
чок из отклоненного положения возвращается в рабочее. При этом
вход усилителя 11 закрыт.
При сварке на больших мощностях для уменьшения термиче¬
ского воздействия на изделие в отклоненном положении пучка
на управляющий электрод 2 можно подать через блок управляюще¬
го напряжения 16 запирающий потенциал, снижающий ток пучка
до определенного уровня.
Во многом сходны с изложенными выше принципы построения
блоков питания отклоняющих систем. Необходимо, чтобы при коле¬
баниях и требуемых изменениях уровня ускоряющего напряжения
сила тока в катушках отклоняющей системы изменялась, обеспечи¬
вая постоянное положение пучка в плоскости детали. Закон регули¬
рования тока в отклоняющих катушках при колебаниях ускоряюще¬
го напряжения находят из соотношения
/oc/V^ = const,
где /ос - ток отклоняющей системы.
Для автоматической фокусировки пучка электронов применя¬
ют также способ принудительной модуляции тока луча. При ЭЛС
в системе концентрированный пучок - свариваемый материал при
некотором критическом значении постоянного во времени потока
энергии возникают автоколебания, в основном за счет экраниро¬
вания пучка испаряющимся металлом. Такие автоколебания име¬
ют случайный характер, определяемый внутренними свойствами
системы.
Как показали результаты исследований, зависимости частоты
и амплитуды колебаний в плазме имеют ярко выраженный экстре¬
мальный характер с максимумом, соответствующим острой фоку¬
сировке пучка электронов. Для оценки влияния частоты модуля¬
ции и тока фокусировки на параметры формируемого сварного шва
198
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
(ширину выпуклости В, глубину проплавления Я, ширину шва g
в его средней части, коэффициента формы шва К и отношение ши¬
рины средней части шва к ширине выпуклости кс) можно исполь¬
зовать статистическую математическую модель. Ниже приведены
модели, которые отражают связь некоторых из перечисленных па¬
раметров от тока фокусировки /фок и частоты модуляции тока пучка.
Модели получены статистической обработкой результатов экспери¬
ментов при сварке на токе пучка 20 мА, при этом ток фокусировки
составлял 780, 790 и 840 мА, частота модуляции тока пучка изменя¬
лась от 230 до 630 Гц через каждые 100 Гц, ток острой фокусировки
был равен 804 мА:
// = 4 531 + 11390/фок -0,141/-7145/фОК -1,103-10"5/2 +0,191/фок/;
5 = 3 242 - 8156/фок + 0,032/ + 5135/фок +1,54 • 10“5 / - 0,053/фок/;
Кф = 772,879 -1938/фок + 8 499/ + 1216/20к + 2,408 • 10“6/2 -
-0,013/фок/,
где / - ток фокусировки, А;/- частота модуляции тока пучка, Гц.
Установлено (рис. 3.31, а), что при сварке недофокусированным
пучком (кривая 1) глубина проплавления наименьшая, а при частоте
около 350 Гц - наибольшая для данной фокусировки. При острой
фокусировке (кривая 3) максимальная глубина проплавления наблю¬
дается на частоте около 600 Гц. При этом по сравнению со сваркой
немодулированным пучком глубина проплавления увеличивается
Я, мм Кф
Рис. 3.31. Зависимости глубины проплавления Я (а) и коэффициента фор¬
мы К. шва (б) от частоты модуляции /тока пучка при токе фокусировки
780(7), 790 (2) и 840 мА (3)
3.2. Замкнутые САР параметров зоны проплавлении в процессе сварки
199
на 25...30%. Наименьший коэффициент формы шва отмечается
при токе острой фокусировки и частоте модуляции около 450 Гц
(рис. 3.31, б).
3.2. Замкнутые системы автоматического регулирования
параметров зоны проплавления в процессе сварки
3.2.1. САР глубины проплавления при дуговой сварке
Качество сварного соединения определяется его механическими
и коррозионными свойствами, зависящими от геометрических раз¬
меров и формы сварного шва. Стабилизация геометрических разме¬
ров шва способствует повышению качества сварного соединения.
Однако не во всех случаях это условие можно считать единственным
критерием качества. Например, при сварке материалов, склонных
к закаливанию либо к образованию горячих или холодных трещин,
важным фактором является поддержание термического режима
в процессе сварки, обеспечивающего необходимую скорость охлаж¬
дения металла. Только при этом условии можно получить требуе¬
мую структуру сварного шва и околошовной зоны.
Измерение конструктивных и технологических возмущений свя¬
зано со значительными трудностями вследствие их относительной
рассредоточенности и удаленности от стыка. Частичное устране¬
ние влияния конструктивных возмущений можно обеспечить путем
их измерения и записи в период холостого прохода стыка с помо¬
щью специального датчика и последующего корректирования в про¬
цессе сварки параметров режима по записанной программе. Однако
ввиду теплового деформирования детали в процессе сварки такая
программа часто малоэффективна. В связи с этим наиболее прием¬
лемым способом является регулирование обратной связи по некото¬
рому обобщенному параметру, на который в процессе сварки влия¬
ют и конструктивные, и технологические возмущения. В качестве
такого параметра можно принять температуру металла сварочной
ванны или околошовной зоны. Температуру можно регулировать
изменением погонной энергии в системе источник питания ду¬
га - сварочная ванна. Задача регулирования при этом сводится к ста¬
билизации подвижного температурного поля. С точки зрения тео¬
рии автоматического регулирования температурное поле как объект
регулирования описывается апериодическим звеном. Постоянная
200
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
времени этого звена определяется параметрами свариваемого мате¬
риала (теплоемкость, теплопроводность и др.). Температуру можно
измерить лишь на некотором расстоянии от сварочной дуги, что об¬
условливает появление погрешностей измерения относительно ре¬
альной температуры под дугой и запаздывание в передаче сигнала
управления.
Для определения температуры целесообразно применять бес¬
контактные датчики, действие которых основано на измерении ин¬
тенсивности излучения с поверхности металла. Использование кон¬
тактных датчиков (например, скользящей термопары, одной ветвью
которой является стержень или ролик, катящийся по поверхности
металла, а другой - свариваемый металл) приводит к большим по¬
грешностям вследствие инерционности датчика и отсутствия посто¬
янного контакта между ним и металлом. Применение бесконтакт¬
ных датчиков позволяет приблизить точку измерения температуры
(площадку визирования датчика) к сварочной дуге. Однако имеются
ограничения на приближение площадки визирования к сварочной
дуге, так как полезный сигнал «забивается» помехами, вызванными
прямым или отраженным излучением дуги.
В качестве приемников излучения используют фотодиоды на ос¬
нове германия или кремния. При создании работоспособного датчи¬
ка очень важно защитить его от теплового воздействия среды и дуги.
Нагрев фотодиода может привести к изменению его параметров, что
при отсутствии излучения от объекта обусловливает появление на¬
пряжения на выходе измерительной схемы.
Для устранения этого недостатка разработана схема, существенно
снижающая эффект дрейфа (ложного срабатывания) с использованием
Стекло Фильтр СЗС26 Фетр
Рис. 3.32. Измерительная схема (а) и конструкция (б) датчика глубины
проплавления с двумя фотодиодами
3.2. Замкнутые САР параметров зоны проплавления в процессе сварки
201
двух идентичных фотодиодов - рабочего ФД1 и компенсационно¬
го ФД2 (рис. 3.32). На рис. 3.33 приведены различные конструкции
датчиков глубины проплавления. Чувствительным элементом дат¬
чиков является фотоэлемент 2 (рис. 3.33, а). Все датчики содержат
светофильтр /, защитный кожух, фокусирующую и передающую
оптику. В некоторых конструкциях кожух датчиков дополнитель¬
но охлаждается либо только водой, либо струей газа и водой вме¬
сте (рис. 3.33, б, в). Газ в процессе сварки используется также для
защиты обратной стороны шва. Вариант конструкции, показанный
на рис. 3.33, б, дает возможность оператору наблюдать за процессом
Рис. 3.33. Конструкции оптических датчиков глубины проплавления стыка:
а-с оптическим светофильтром без вспомогательного охлаждения; б- с водяным
светофильтром и охлаждением; в - без светофильтра с водяным и газовым охлаж¬
дением
202
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
формирования обратной стороны шва с помощью окуляра 3. Датчик
содержит простой надежный светофильтр 1 в виде слоя проточной
воды толщиной 1 мм, позволяющий выделить сигнал в видимой об¬
ласти спектра.
3.2.2. САР глубины проплавления при ЭЛС
Задача контроля и стабилизации глубины проплавления при ЭЛС
актуальна для получения необходимого качества сварных соедине¬
ний. В настоящее время она удовлетворительно решается лишь для
случаев сквозного проплавления.
При сварке без сквозного проплавления определенная глу¬
бина проплавления достигается за счет поддержания основных
параметров сварочного процесса на заданном уровне. Обычно
эти параметры устанавливают в результате экспериментальных
исследований.
Существуют следующие методы контроля глубины проплав¬
ления.
1. По пульсациям тока вторичной эмиссии. В этом случае под
сварочным швом 1 (рис. 3.34) устанавливают изолированный от сва¬
риваемого изделия коллектор 2. При сквозном проплавлении часть
электронов достигает коллектора и задача системы стабилизации
глубины проплавления сводится к поддержанию сквозного тока кол¬
лектора /кв с заданной уставкой /. При сварке падение напряжения
на сопротивлении R усиливается блоком сравнения БС и сравнивает¬
ся с заданным током /. Разность сигналов подается на регулятор Рг.
Рис. 3.34. Функциональная схема регулятора сквозного тока пучка
в системе стабилизации проплавления стыка
3.2. Замкнутые САР параметров юны проплавления в процессе сварки
203
Сигнал регулятора воздействует на блок регулирования какого-ли¬
бо параметра режима сварки, например ускоряющего напряжения,
через блок напряжения смещения БНС электронно-лучевой пуш¬
ки ЭЛП. Система регулирует при сварке сквозной ток / кв пучка, что
гарантирует полное проплавление стыка.
2. По рентгеновскому излучению из канала проплавления. О глу¬
бине проплавления судят по информации об интенсивности рентге¬
новского излучения, получаемой от коллимированного рентгенов¬
ского датчика.
3. По текущей информации о метрических характеристиках ион¬
но-парового облака (факела) и переднего фронта сварочной ванны,
поступающей с датчиков телевизионной системы.
4. По фокусировке пучка электронов при модуляции тока пучка.
Перспективными в настоящий момент являются телевизионные
и рентгеновские методы контроля глубины проплавления. Остано¬
вимся на них подробнее.
Системы контроля и регулирования глубины проплавления
с рентгеновским датчиком. При взаимодействии пучка электронов
с материалом электроны в результате торможения теряют энергию.
Этот процесс сопровождается возбуждением рентгеновского излу¬
чения, локализованного в месте взаимодействия пучка электронов
с обрабатываемым материалом. Рентгеновское излучение распро¬
страняется точно по прямым линиям, его нельзя отклонить электри¬
ческими и магнитными полями. Сквозь пары металлов оно проходит
с минимальным ослаблением.
Для регистрации интенсивности рентгеновского излучения ис¬
пользуют коллимированные датчики, которые располагают с обрат¬
ной стороны изделия или со стороны ввода пучка под небольшим
углом к плоскости изделия. В ряде устройств в качестве датчи¬
ка рентгеновского излучения используют рентгено-телевизион¬
ный видикон или рентгеновский детектор на основе микроканаль-
ных пластин, что позволяет получить изображение формы канала
проплавления.
Экспериментально подтверждено, что после стабилизации ре¬
жима глубокого проплавления процесс становится колебательным,
о чем свидетельствует характер изменения интенсивности рентге¬
новского излучения Эотн, регистрируемой датчиком (рис. 3.35).
Контроль глубины проплавления с обратной стороны свар¬
ного шва основан на поглощении рентгеновского излучения сва¬
рочной ванны материалом обрабатываемого изделия. Ослабление
204
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
Рис. 3.35. Осциллограмма модулированного сигнала Уотн на выходе
рентгеновского датчика:
со - высокочастотная составляющая (до 2 кГц) сигнала датчика, вызванная экрани¬
рованием пучка электронов парами металла в канале проплавления; £2 - низкоча¬
стотная составляющая (до 70 Гц) сигнала датчика, отображающая гидродинамику
перекрытия жидким металлом канала проплавления
интенсивности рентгеновского излучения слоем материала подчи¬
нено экспоненциальному закону. Рентгеновский датчик размещен
в металлической бленде, не пропускающей рентгеновское излуче¬
ние с боковых поверхностей, и ориентирован на зону обработки под
углом.
Схема контроля глубины проплавления со стороны ввода пучка
электронов 1 в свариваемое изделие дана на рис. 3.36. Неподвиж¬
ная (с узкой щелью) 2 и подвижная 3 диафрагмы датчика изготовле¬
ны из материала с высокой удельной плотностью, поглощающего
рентгеновское излучение. При вращении двигателем 4 подвижной
диафрагмы 3 с чувствительным элементом 5 зона обзора рентге¬
новского датчика на поверхности обрабатываемого изделия перио¬
дически сканируется по координате х, пересекая канал проплавле¬
ния. Длина щели на диафрагме 2 достаточна для того, чтобы в зону
обзора датчика по координате у входил весь канал проплавления.
Таким образом, рентгеновский датчик интегрирует все излучение
по координате у с учетом его поглощения в слое металла обраба¬
тываемого изделия.
Телевизионная система контроля и управления геометрией
проплавления. Особенности геометрических характеристик зоны
проплавления при ЭЛС обусловлены спецификой взаимодействия
электронного пучка с расплавом сварочной ванны, а также кинети¬
кой процесса формирования сварного шва.
3.2. Замкнутые САР параметров зоны проплавления в процессе сварка
205
Рис. 3.36. Схема рентгеновского датчика, расположенного со стороны
ввода пучка в изделие
С момента внедрения пучка электронов в глубь металла на пу¬
ти электронов возникает слой частиц (ионов, атомов), концентра¬
ция которых быстро снижается при удалении от места сварки. Пары
металла, истекая из канала проплавления, образуют над сварочной
ванной облако пара.
Ввиду сложности контроля состояния паровой фазы в канале
проплавления исследуют ее состояние вне канала проплавления,
вблизи выхода из него. Это правомерно, если рассматривать про¬
цесс испарения с позиции газодинамики. Применение газодинамики
оправданно при ЭЛС изделий средней толщины (10...20 мм), когда
расфокусировка пучка электронов незначительна, а высокий ваку¬
ум в сварочной камере обеспечивает испарение по молекулярному
закону.
С привлечением газодинамики аналитико-эмпирическим путем
выполнена оценка связи габаритов ионно-парового облака с геоме¬
трией сварного шва в предположении квазистационарности процес¬
са на базе его упрощенной модели.
206
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
б
Рис. 3.37. Профили зоны проплавления (а) и диаграммы распределения
парового потока для них (б)
Чтобы установить связь геометрии зоны проплавления с метри¬
ческими характеристиками ионно-парового облака, были рассчита¬
ны и построены диаграммы распределения для разых профилей зо¬
ны проплавления (рис. 3.37). Телевизионно-измерительная система
ктп
а-
БИК
О
ВКУ
БИ
МПУ
Рис. 3.38. Структурная схема телевизионно-измерительной системы:
КТП - телевизионная камера; БИК - блок измерения и контроля; ВКУ - видеокон-
трольное устройство; БИ - блок индикации; МПУ - малогабаритное печатающее
устройство
Контрольные вопросы
207
Рис. 3.39. Зависимость глубины проплавления Н и высоты факела Н
от тока фокусировки /фок вблизи точки оптимального режима
(рис. 3.38) позволяет оперативно в процессе сварки вести измерение
марамеров переднего фронта сварочной ванны, наблюдаемой в зазоре
стыка, а также ионно-парового облака (факела) над сварочной ванной.
Для телевизионных систем, работающих в оптическом диапазоне
электромагнитных волн, основными являются спектрально-энергети¬
ческие характеристики контролируемого объекта. Чувствительность
телевизионного контроля повышается при согласовании спектраль¬
ной характеристики передающей трубки телевизионной камеры с об¬
ластью спектрального излучения контролируемых деталей зоны свар¬
ки (сварочной ванны, факела). Телевизионные камеры на видиконе
имеют рабочую область в видимой части спектра (0,4...0,7 мкм).
Экспериментально установлен экстремальный характер высоты
ионно-парового облака (факела) от тока фокусировки /фок (рис. 3.39).
При этом минимальная высота факела Яф соответствует каналу про¬
плавления с максимальным коэффициентом формы. Обнаруженная
связь используется при разработке замкнутых систем автоматиче¬
ского управления глубиной проплавления при ЭЛС.
Контрольные вопросы
1. Укажите технологические возможности при сварке разомкнутых
и замкнутых САР.
2. Приведите статическую ВАХ источника питания совместно с ВАХ
условной рабочей нагрузки при дуговой сварке неплавящимся электродом,
запишите уравнение U = /(/) для статической ВАХ дуги, определяемой
ГОСТ Р МЭК 60974-2004.
208
Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования
3. Охарактеризуйте технологическое назначение участков ломаной
ВАХ источника питания для дуговой сварки неплавящимся электродом
в аргоне.
4. Перечислите способы зажигания дуги и заварки кратера при сварке
в аргоне неплавящимся электродом.
5. Перечислите технологические особенности работы источника пита¬
ния переменного тока для сварки алюминиевых сплавов. Приведите осцил¬
лограмму процесса сварки и охарактеризуйте ее участки на прямой и об¬
ратной полярности.
6. Приведите функциональную схему источника питания с разнопо¬
лярными импульсами для сварки алюминиевых сплавов.
7. Как выглядит осциллограмма процесса сварки алюминиевых спла¬
вов при питании дуги от источника с разнополярными импульсами?
8. Дайте определение инвертора, конвертора. Приведите структурную
схему источника питания с высокочастотным преобразованием сигналов.
9. Приведите функциональную схему системы автоматической стаби¬
лизации длины дуги при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом
(система АРНД).
10. Приведите структурную схему системы АРНД для аргонодуговой
сварки.
11. Какие способы управления формированием шва применяют при
аргонодуговой сварке неплавящимся электродом тонкостенных изделий?
12. Опишите технологические особенности источников питания для
ручной дуговой сварки покрытыми электродами.
13. Приведите статическую ВАХ источника питания для механизиро¬
ванной сварки плавящимся электродом в защитном газе и охарактеризуйте
технологическое назначение отдельных участков комбинированной ВАХ.
14. Перечислите и охарактеризуйте способы механизированной и ав¬
томатической сварки в защитном газе плавящимся электродом с разным
характером переноса электродного металла.
15. Дайте характеристику механизма управляемого переноса электрод¬
ного металла при сварке с короткими замыканиями за счет сил поверхност¬
ного натяжения (процесс STT). Каковы технологические особенности это¬
го процесса?
16. Перечислите и охарактеризуйте новые способы управляемого пере¬
носа электродного металла при сварке в защитном газе плавящимся элек¬
тродом длинной и короткой дугой.
17. Дайте характеристику систем АРДС и АРНД с регулируемой скоро¬
стью подачи проволоки при дуговой сварке под флюсом. Приведите стати¬
ческие регулировочные характеристики для этих систем.
18. Перечислите основные САР процессов точечной и шовной контакт¬
ной сварки. На какие две группы подразделяют эти системы в зависимости
от типа регулирующего воздействия.
19. Перечислите основные виды САР параметров ЭЛС.
Контрольные вопросы
209
20. Какие основные технологические задачи решают АСУ ТП ЭЛС?
21. Охарактеризуйте принципы работы САР глубины проплавления
с оптическими датчиками при дуговой сварке.
22. Какие принципы измерения глубины и формы проплавления стыка
используют в САР при ЭЛС?
23. Охарактеризуйте принципы построения САР диаметра литого ядра
мри контактной сварке.
Глава 4
Системы слежения за линией стыка при сварке
4.1. Системы слежения за линией стыка
при дуговой сварке
Недостаточное применение систем автоматической ориентации
электрода по линии стыка при механизированной сварке объясняет¬
ся главным образом отсутствием или низкой надежностью датчиков,
пригодных для определения фактического положения свариваемого
соединения в реальных условиях сварочного производства. Можно
считать, что решение проблемы автоматизации сварочных операций
с помощью следящих систем заключается прежде всего в выборе
методов и средств измерения фактического положения соединения.
Классификация следящих систем дана на рис. 4.1.
4.1.1. Системы с копирными датчиками прямого и непрямого
действия
По типу регуляторов, применяемых в системе автоматики, сле¬
дящие системы с копирными датчиками подразделяют на две груп¬
пы: с регуляторами прямого и непрямого действия.
Следящие системы с регуляторами прямого действия являются
наиболее простыми, в них измерение неотделимо от управления.
Сварочный инструмент (сварочная головка или горелка) имеет од¬
ну или несколько свободных (неприводных) степеней подвижности
и связан непосредственно со щупом, выполненным в виде ролика
или неподвижного копирного пальца. Щуп постоянно прижат к по¬
верхностям разделки кромок стыка или другим поверхностям свари¬
ваемых элементов под действием пружин или силы тяжести. При од¬
ном щупе-ролике (рис. 4.2, а) можно направить горелку по разделке
стыка без прихваток.
Если сварочная горелка и щуп имеют только одну степень под¬
вижности (см. рис. 4.2, а), то возникает составляющая А к погреш¬
ности наложения шва (рис. 4.2, г).
При копировании в двух (и более) точках и дополнительной
степени подвижности щупа относительно горелки (рис. 4.2, б)
4.1. Системы слежения т линией стыка при дуговой сварке
211
Рис. 4.1. Классификация следящих систем для управления положением
сварочного инструмента
или щупа с горелкой относительно изделия (рис. 4.2, в) можно суще¬
ственно уменьшить погрешность М, а при строго прямолинейных
стыках, случайным образом повернутых на небольшой угол, можно
полностью ее исключить (рис. 4.2, <)). Для того чтобы при этой до¬
полнительной степени подвижности можно было копировать стыки,
собранные с помощью прихваток, необходимо не менее трех щу¬
пов-роликов с независимым поджатием к изделию (см. рис. 4.2, в).
Устройства, схемы которых приведены на рис. 4.2, применяют
при сварке преимущественно стыковых соединений с разделкой или
212
Глава 4. Системы слежения за линией стыка при сварке
Рис. 4.2. Схемы устройств прямого копирования для направления свароч¬
ного инструмента на линию соединения:
1 - свариваемое изделие; 2 - копирный ролик; 3 - пружина; 4 - звено, перемещаю¬
щееся вдоль линии соединения; 5 - подвижный элемент (подвижность), обеспечи¬
вающий корректировочное перемещение; 6 - сварочный инструмент; 7 - дополни¬
тельный подвижный элемент; 8 - линия соединения
гарантированным зазором, собранных без прихваток или на при¬
хватках. При выполнении угловых швов эти устройства применяют
для сварки в положении «в лодочку». При этом требуется также ко¬
пирование по второй координате, которое осуществляется с помо¬
щью дополнительной системы с регулятором непрямого действия.
При сварке «в угол» корректирующие перемещения могу быть
направлены либо поперек и вдоль оси электрода, либо перпендику¬
лярно к полкам свариваемого соединения (рис. 4.3).
Прямое копирование по вертикали и под большими углами к го¬
ризонтали применяют при небольшой или частично уравновешен¬
ной массе перемещаемых частей (рис. 4.3, а).
В схеме на рис. 4.3, б копирный ролик 1 под действием пружин,
создающих силы F, и Fv занимает строго нейтральное положение
4.1. Системы слежения за линией стыка при дуговой сварке
213
(до соприкосновения с изделием). Это достигается благодаря тому,
что сила F2 прижимает к уступу корпуса упорную шайбу, а сила Fv
меньшая, чем сила Fv прижимает к этой же шайбе подвижный эле¬
мент, жестко связанный с копирным роликом. Чтобы усилия, требу¬
емые для смещения ролика из нейтрального положения в обе сторо¬
ны, были равны, необходимо обеспечить в нейтральном положении
соблюдения условия F2 = 2F} (без учета силы тяжести подвижных
частей) в соответствии с рис. 4.3, г.
Схема на рис. 4.3, в позволяет реализовать прямое копирование
поверхностей изделия сбоку (на траверсе) от точки сварки, что наи¬
более просто осуществить при выполнении угловых швов с доста¬
точно большими полками.
Рис. 4.3. Схемы двухкоординатных устройств прямого действия для вы¬
полнения угловых швов
/ - копирный ролик; 2 - свариваемое изделие; 3 - сварочная горелка
214
Глава 4. Системы слежения за линией стыка при сварке
Недостатки регуляторов прямого действия: 1) невозможность
применения при сварке стыковых соединений без разделки и гаран¬
тированного зазора в стыке, а также нахлесточных соединений с тол¬
щиной верхнего листа менее 3 мм; 2) необходимость специальной
конструкции сварочного аппарата с «плавающей» в направлении
слежения частью, несущей сварочную горелку; 3) необходимость
фиксации «плавающей» части аппарата перед выходом щупа из кон¬
такта с изделием на конечном участке шва при невозможности ко¬
пирования сбоку от точки сварки и нецелесообразности применения
планок для вывода щупа; 4) необходимость обеспечения достаточно
высокой жесткости конструкции всей манипуляционной системы,
чтобы снятие усилия копирования после выхода щупа из контакта
с изделием не вызвало чрезмерного дополнительного смещения сва¬
рочной горелки из зафиксированного перед этим положения.
Следящие системы с регуляторами непрямого действия свобод¬
ны от указанных недостатков. Этим системам присуще разнообра¬
зие способов преобразования информации, полученной от различ¬
ных датчиков, в сигнал, используемый для управления положением
сварочной горелки. Среди таких систем большую группу образуют
следящие системы с электромеханическими датчиками. Основная
особенность электромеханических датчиков заключается в наличии
в них копирующего элемента - щупа, который под действием пру¬
жин или силы тяжести находится в контакте с копируемыми поверх¬
ностями или кромками изделия. Точка копирования может распола¬
гаться перед точкой сварки или сбоку от нее.
В системах непрямого копирования с электромеханическими
датчиками широко распространены датчики, позволяющие наво¬
дить сварочный инструмент на линию соединения и поддерживать
заданное расстояние до поверхности изделия, т. е. измерять откло¬
нения места стыка в двух направлениях (двухкоординатный датчик).
Эти датчики устанавливают под углом 30.. .45° к линии соединения
свариваемых элементов (рис. 4.4).
Щуп электромеханического датчика прижимается к поверхно¬
сти изделия с небольшой силой (1...10 Н) в отличие от устройств
прямого действия, где сила прижима щупа определяется в основном
массой перемещаемых частей и может достигать нескольких сотен
ньютонов. С увеличением силы прижима щупа электромеханиче¬
ского датчика к изделию возрастает вибрация сварочного автомата
или конструкции, увеличивается износ щупа и затрудняется сварка
концевого участка шва после окончания контакта щупа с изделием.
4.1. Системы слежения за линией стыка при дуговой сварке
215
Рис. 4.4. Схема установки двухкоординатного механического датчика {а)
и направление результирующей силы копирования при выполнении сты¬
ковых (б) и угловых (в, г) швов:
/ - сварочная горелка; 2 - сменный щуп; 3 - ось поворота щупа; 4 - первичные
преобразователи перемещений по вертикали и горизонтали
Для задач, требующих более высокой точности, разрабатывают
электромеханические датчики с преобразователями, имеющими ли¬
нейный выход во всем диапазоне измерения или на его части. В каче¬
стве преобразователей такого типа могут применяться резисторные
преобразователи в виде потенциометров. Другой вид резисторных
преобразователей - угольные реостаты, представляющие собой на¬
боры (столбы) из угольных шайб. При изменении силы сжатия набо¬
ра его общее электрическое сопротивление изменяется в зависимости
от контактных сопротивлений между шайбами. Преимущество этих
преобразователей - малые габариты, а недостаток - нестабильность
выходного сигнала вследствие его зависимости от влажности уголь¬
ных шайб и наличия угольной пыли между ними. Наиболее компакт¬
ными из резисторных преобразователей являются тензорезисторные.
216
Глава 4. Системы слежения за линией стыка при сварке
Среди бесконтактных преобразователей для электромеханиче¬
ских датчиков наиболее перспективны дифференциально-транс¬
форматорные. Наиболее простые из них имеют линейную характе¬
ристику ±(1,5...2,5) мм от нейтрального положения. При большем
рассогласовании сигнал достигает предельного значения и наступа¬
ет насыщение. Такая характеристика вполне удовлетворяет требова¬
ниям построения достаточно точных следящих систем.
4.1.2. Системы непрямого действия с бесконтактными
датчиками. Функциональные схемы следящих систем
Большие технологические возможности имеют следящие систе¬
мы непрямого действия с бесконтактными датчиками разных физи¬
ческих принципов действия, перечисленные на рис. 4.1.
Рассмотрим решение одной частной задачи - слежение за пря¬
молинейным или криволинейным стыком малой кривизны
{к < 50 мм/м) с помощью однокоординатной системы слежения.
В этом случае в структуру следящей системы входят сварочная те¬
лежка, перемещаемая по оси х со скоростью х = vCB, сварочная го¬
релка с корректирующим следящим приводом, который обеспечи¬
вает ее перемещение по оси у - Дх), где /(х) - функция кривизны
стыка. Фактическая скорость перемещения сварочной горелки при¬
близительно равна скорости сварки vcb, так как в этом случае у су¬
щественно меньше усв.
Работа системы описывается простой системой уравнений:
х =
f{x)~y = —y-
w,
(4.1)
где - передаточная функция привода Y.
Структурная схема автоматической системы, работа которой
соответствует уравнениям (4.1), приведена на рис. 4.5. В системе
можно использовать любые датчики, следящие непосредственно
за линией стыка или опорной линией. При работе датчиков по сты¬
ку допускаются их удаление на расстояние / = 70.. .200 мм от свароч¬
ной горелки и жесткая связь с ней. При этом в системе появляется
методическая ошибка
kl
1000'
4.1. Системы слежения за линией стыка при дуговой сварке
217
Рис. 4.5. Структурная схема однокоординатной следящей системы
При указанных выше значениях / и допустимой ошибке емет < 0,5 мм
максимальная кривизна свариваемых стыков, которые можно каче¬
ственно сварить с помощью следящей системы с коррекцией по оси у,
равна 7 мм/м.
Двухкоординатные следящие системы обычно представляют со¬
бой сочетание двух независимых однокоординатных систем с об¬
щим двухкоординатным или двумя однокоординатными датчиками.
При сварке швов сложной формы применяют также двух- и трех¬
координатные следящие системы с взаимозависимыми следящими
движениями.
По методам получения информации о положении линии стыка
выделяют две группы датчиков, различающихся принципом форми¬
рования информации:
1) в результате смещения контролируемого объекта относи¬
тельно чувствительного элемента датчика с реально наблюдаемой
скоростью;
2) при быстром сканировании зоны контролируемого объекта
чувствительным элементом датчика со скоростью, превышающей
не менее чем на порядок скорость реального смещения объекта.
Датчики со сканированием конструктивно сложнее датчиков
первой группы, однако они могут быть изготовлены более помехо¬
защищенными и позволяют получать больший объем информации
об объекте измерения.
По месту расположения относительно сварочного инструмен¬
та различают датчики и системы с измерением впереди сварочно¬
го инструмента (рис. 4.6, а, в, г), сбоку от сварочного инструмента
(рис. 4.6, б) ив сварочном инструменте. В системе, выполненной
по схеме, показанной на рис. 4.6, д, возникает погрешность наведения
горелки на линию стыка. Эта погрешность отсутствует в системах
218
Глава 4. Системы слежения за линией стыка при сварке
- п
р
- Пр
~г
п Л
[в Г
I
Дв
► ЗУ
ф
X
Пр
X
X
Двсп
Дв
пг
Рис. 4.6. Схемы следящих систем для управления положением сварочной
горелки:
а - с датчиком впереди точки сварки; б - с датчиком сбоку от точки сварки; в -
с датчиком впереди точки сварки, с запоминающим устройством и независимой из¬
мерительной следящей системой; г-то же с зависимой (закрепленной неподвижно
относительно сварочной горелки); измерительной системой; СГ - сварочная го¬
релка; Д - датчик положения линии соединения (С) или линии (поверхности), эк¬
видистантной линии соединения (Э); П - преобразователь датчика; Пр - привод
перемещения сварочной горелки; Дв - исполнительный двигатель привода свароч¬
ной горелки; Дви - исполнительный двигатель привода измерительной следящей
системы; Двсп - датчик положения вспомогательный; При - привод измерительной
следящей системы; ЗУ - запоминающее устройство; Z - суммирующее устройство;
v. - направление скорости перемещения сварочной горелки при неработающей сле¬
дящей системе; Ф - кинематические связи
с измерением сбоку от сварочного инструмента (см. рис. 4.6,6), в сва¬
рочном инструменте, а также в системах с учетом транспортного за¬
паздывания (см. рис. 4.6, в, г). Последние бывают двух видов: с аб¬
солютным и относительным определением положения линии стыка
в точке измерения (относительно сварочного инструмента). В пер¬
вом случае (см. рис. 4.6, б) абсолютное положение датчика Д линии
стыка устанавливается вспомогательным датчиком положения Двсп и
сигнал с него поступает в ЗУ. Во втором случае (см. рис. 4.6, в) коор¬
динаты линии стыка измеряются датчиком Двсп относительно точки
сварки. Координаты стыка суммируются с координатами текущего
положения сварочной горелки. Полученная алгебраическая сумма,
определяющая абсолютную координату рассогласования в положе¬
нии стыка и сварочной горелки, поступает в ЗУ. В системах обо¬
их видов информация о положении точки измерения используется
для управления положением сварочного инструмента с задержкой
по времени, определяемой временем перемещения со скоростью vr
4.1. Системы слежения за линией стыка при дуговой сварке
219
и направлении X на расстояние между сварочным инструментом
и гонкой измерения. Скорость vx настраивается в соответствии с тех¬
нологией, а информация о перемещении по координате X поступа¬
ет в узел ЗУ для управления темпом выдачи информации на привод
сварочного инструмента.
По принципу действия датчиков различают следящие системы
е электромагнитными, дуговыми (электроразрядными), электро¬
механическими, телевизионными, фотоэлектрическими и другими
датчиками.
Системы с электромагнитными датчиками. Следящие си¬
стемы с электромагнитными датчиками являются наиболее распро¬
страненными. Эти датчики можно использовать для определения
положения стыка без разделки кромок, кромки верхнего листа на-
хлесточного соединения, скосов кромок; для измерения расстояния
до поверхности свариваемых элементов, ширины зазора, превыше¬
ния кромок, а также для определения положения начала и конца сва¬
риваемого изделия или прихваток. Выбирая разные положения дат¬
чиков относительно поверхностей свариваемых элементов, можно
эти датчики использовать при сварке различных соединений и их
разновидностей (рис. 4.7).
Х////////////Л
а
б
□
Ш □
ш □
7777777777
г
д
Рис. 4.7. Типы и конструктивные разновидности соединений:
а - угловое (изнутри); б - тавровое с одной узкой полкой; в - стыковое при точных
размерах свариваемых элементов; г - стыковое с узким глубоким зазором; д - сты¬
ковое с разделкой кромок; 1 - направление перемещения; 2 - датчик; 3 - ось сва¬
рочного электрода
220
Глава 4. Системы слежения за линией стыка при сварке
<]
Стык
в
Рис. 4.8. К пояснению принципа работы электромагнитного датчика
Простейший электромагнитный датчик состоит из Ш-образной
магнитной системы и трех обмоток (рис. 4.8, а). Обмотка 3, распо¬
ложенная на среднем стержне, питается от источника тока повышен¬
ной частоты. Переменное магнитное поле, создаваемое обмоткой, на¬
водит в свариваемом изделии вихревые токи. Непроводящий зазор
между деталями разделяет вихревые токи на два контура, показан¬
ных на рис. 4.8,6. Результирующее магнитное поле датчика создается
не только током, протекающим в обмотке 3, но и вихревыми токами.
При симметричном относительно датчика расположении зазо¬
ра контуры вихревых токов равны и симметричны, 1Х = /2. Соответ¬
ственно равны магнитные потоки Ф] и Ф2 и наводимые ими ЭДС
в измерительных обмотках 1 и 2. При встречном включении этих
обмоток наводимые в них ЭДС компенсируются и сигнал на выходе
датчика равен нулю.
При несимметричном расположении датчика относительно
стыка (рис. 4.8, в) контуры вихревых токов оказываются разными,
1Х Ф /2. Это приводит к нарушению равенства магнитных потоков Ф,
и Ф2 и возникновению на выходе датчика ЭДС £, сигнализирующей
об отклонении средней плоскости датчика от плоскости стыка. На¬
правление отклонения датчика от стыка видно по сдвигу фазы ЭДС
относительно тока, протекающего в обмотке 3. При изменении на¬
правления отклонения на противоположное фазовый сдвиг ЭДС из¬
меняется на 180°.
Электромагнитные датчики наиболее широко применяют для
определения положения стыка при сварке стыковых соединений без
разделки кромок.
На выходной сигнал датчика влияют координаты стыка; отклонения
геометрических параметров соединения, подготовленного под сварку;
свойства материала изделия; различия электрических и магнитных
4.1. Системы слежения за линией стыка при дуговой сварке
221
свойств материала заготовок, вызванные изменениями химического со¬
става и условиями предварительной механической обработки; харак¬
теристики окружающей среды и процесса. При сварке стыковых швов
значительное влияние на выходной сигнал датчика оказывает взаимное
превышение кромок.
Для уменьшения погрешности датчика, возникающей при пре-
иышении кромок, используют различные схемные и конструктив¬
ные способы компенсации. Один из них основан на отличии фазы
сигнала, получаемого от датчика, если он смещен относительно сты¬
ка при отсутствии или наличии превышения кромок. Для компенса¬
ции превышений фазу опорного сигнала, подаваемого на фазовый
детектор, выбирают так, чтобы она отличалась на 90° от составля¬
ющей фазы выходного сигнала датчика, вызванной превышением
кромок. При этом выходной сигнал датчика практически не зависит
от превышения кромок.
В последние годы появились системы со сканирующими элек¬
тромагнитными датчиками, которые в сочетании с обработкой сиг¬
нала датчика средствами вычислительной техники позволяют рас¬
ширить возможности электромагнитного метода измерения.
Частота напряжения питания обмотки возбуждения электромаг¬
нитных датчиков может быть от одного до нескольких десятков кило¬
герц, что позволяет свести к минимуму влияние на выходной сигнал
датчика электромагнитных полей промышленной частоты и сделать
датчики работоспособными на магнитных и немагнитных материалах.
Для геометрической и технологической адаптации сварочных
автоматов и роботов наряду с решением задачи ориентации свароч¬
ного инструмента на линию стыка необходимо также получать ин¬
формацию о геометрических параметрах стыка. Эти задачи позволя¬
ет решить электромагнитный дифференциальный датчик (рис. 4.9).
Датчик состоит из двух параллельно расположенных стержневых
прямоугольных ферритовых сердечников 7. На концах сердечников
намотаны по одной секции генераторной катушки 2. Катушки 2 по¬
следовательно встречно подключены к генератору синусоидального
высокочастотного напряжения Uon. Создаваемый ими переменный
магнитный поток в магнитопроводах имеет противоположное на¬
правление. Индикаторные катушки 3 и 4 закреплены соосно меж¬
ду полюсами магнитопровода, расположенными над свариваемым
стыком. На нижних концах ферритового сердечника намотаны две
другие индикаторные катушки - 5 и 6. Ось датчика располагается
перпендикулярно к плоскости стыка, образованного деталями.
222
Глава 4. Системы слежения за линией стыка при сварке
При отсутствии изделия магнитный поток, создаваемый катуш¬
кой 2, замыкается через воздушный зазор около полюсов магнито-
проводов, образуя замкнутый контур. Разностные сигналы ЭДС ин¬
дикаторных катушек 3, 4 и 5, 6 равны нулю. Магнитный поток
в датчике можно разбить на два взаимозависимых потока: основной
поток, который замыкается по полному контуру между торцами маг-
нитопроводов, и поток рассеяния, который сосредоточен главным
образом между внутренними гранями около полюсов. При подведе¬
нии изделия 7 со стыком под датчик основной поток с торца входит
в металл и вызывает в нем вихревые токи, которые создают противо¬
действующий (размагничивающий) магнитный поток. Таким обра¬
зом, основной поток с торцов магнитопроводов является обратной
функцией размагничивающего потока от вихревых токов, а поток
рассеяния с внутренних граней - прямой функцией. Если ось датчи¬
ка расположена в плоскости стыка, то дифференциальные сигналы
индикаторных катушек 3, 4 и 5, 6 равны нулю. Смещение Ах линии
Рис. 4.9. Схема электромагнитного дифференциального датчика положе¬
ния свариваемого стыка:
а - зазор между кромками; Ах - смещение линии стыка относительно оси датчика;
Ah - превышение кромок; h - расстояние от датчика до стыка
4.1. Системы слежения за линией стыка при дуговой сварке
223
стыка от плоскости симметрии датчика приводит к перераспределе¬
нию размагничивающего действия пластин под полюсами магнито-
ироводов, и, следовательно, изменяется основной поток рассеяния
(их изменения разнополярные). Поток магнитопровода, в сторону
которого наблюдается смещение линии стыка, будет испытывать
большее размагничивание в силу большей концентрации вихревых
токов под ним. На индикаторных катушках 3, 4 и 5, 6 появятся раз¬
ностные сигналы. Графики изменения сигналов в зависимости
от смещения стыка приведены на рис. 4.10, где за положительное
значение Ах: принято смещение стыка вправо относительно оси дат¬
чика, а за положительное значение Ah - превышение правой кромки
относительно левой. Превышение одной свариваемой кромки отно¬
сительно другой также ведет к увеличению размагничивающего воз¬
действия основного потока с магнитопровода, под которым располо¬
жена кромка, более приближенная к полюсу. Это, в свою очередь,
приводит к появлению дифференциальных сигналов U?-U? и
//," -£/6д". Графики изменения указанных сигналов в зависимости
от Ah также приведены на рис. 4.10.
Рис. 4.10 Зависимости дифференциальных сигналов индикаторных кату¬
шек 3, 4 и 5, 6 от смещении Ах линии стыка и превышения Ah кромок
224
Глава 4. Системы слежения за линией стыка при сварке
На рис. 4.10 видно, что для получения информации о положении
линии стыка, не чувствительной к превышению кромок, необходимо
осуществить следующее преобразование сигналов:
U (Ах) = (C/f -U?) + (t/f* - f/f) - k(U? - t/f) - k(Ujh - Uf1),
где k- коэффициент усиления, который выбирают из условия равен¬
ства напряжений
U? -t/f =k(U*h -U?).
Для получения информации об изменении расстояния h между
датчиком и поверхностью свариваемого изделия, а также об изме¬
нении зазора а (см. рис. 4.9) в стыке, следует ваполнить следующие
преобразования сигналов:
U(К) = U5+U6; U(a) = U3+ UA (при Ajc = 0).
На базе описанного датчика разработан цифровой многоканальный
электромагнитный модуль контроля параметров и положения стыка при
сварке МЭМ-1. Через интерфейс его можно подключать к ЭВМ и свароч¬
ному оборудованию. Модуль позволяет определять пространственное
положение сварочной головки относительно стыка (высоту и смещение)
и параметры стыка (зазор, превышение кромок) при сварке плавлени¬
ем ферромагнитных и неферромагнитных материалов. Полученную ин¬
формацию используют для управления процессом сварки с помощью
систем слежения за линией стыка и для изменения режимов сварки при
наличии неточностей сборки и деформации стыка в зоне сварки.
Модуль МЭМ-1 (рис. 4.11) состоит из электромагнитного дат¬
чика 7, закрепленного на сварочной головке на расстоянии до 30 мм
от нее, первичного преобразователя 2, блока аналоговой обработки 3,
к ЭВМ
К сварочному
оборудованию
Рис. 4.11. Многоканальный электромагнитный модуль контроля параме¬
тров и положения линии стыка МЭМ-1:
1 - датчик; 2, 3 - блоки преобразования сигнала датчика; 4 - микропроцессорный
контроллер
4.1. Системы слежения за линией стыка при дуговой сварке
225
обеспечивающих получение сигналов о высоте /2, смещении х, зазо¬
ре а и превышении кромок Ah. Кроме того, в состав модуля входит ми¬
кропроцессорный контроллер 4, который осуществляет связь модуля
с ЭВМ, со стойкой управления и с исполнительными механизмами
серийных автоматов и роботов для дуговой сварки плавящимся и не-
илавящимся электродами. Дополнение модуля персональным ком¬
пьютером типа IBM PC позволяет обеспечить визуализацию профиля
и положения стыка на экране дисплея, управлять циклом сварки, про¬
граммировать и корректировать режимы сварки (ток, скорость) при
изменении геометрии стыка и параметров свариваемого материала.
Основные технические данные модуля МЭМ-1:
11ределы (точность) измерения, мм:
высоты 0,5-4,0 (0,1)
смещения ±10,0 (0,2)
зазора 0,1-3,0 (0,2)
превышения кромок ±2,0 (0,1)
I абаритные размеры датчика, мм, для сварки изделий
с толщиной стенки:
0,5...3,0 мм 20 х 20 х 30
3 мм и более 75 х 35 х 30
I абаритные размеры блока преобразования, мм 186 х 112 х 34
Масса, кг:
датчика 0,1
преобразователя 3,0
Модуль можно адаптировать под конкретную техническую задачу.
Принцип работы модуля МЭМ-1 в структуре следящей системы
для наведения сварочной горелки на линию стыка отражает функци¬
ональная схема, приведенная на рис. 4.12.
Перемещение по высоте h
Рис. 4.12. Функциональная схема системы автоматического наведения
сварочной горелки на стык
226
Глава 4. Системы слежения за линией стыка при сварке
Сигналы с датчика стыка Д поступают на измерительный пре¬
образователь ИП - модуль МЭМ-1, где выделяется информация
о смещении jc от оси стыка и о высоте h. Сигналы от ИП поступа¬
ют на электронный блок ЭБ, который обеспечивает преобразование
аналоговых сигналов, несущих информацию о параметрах X и /?,
в напряжение, необходимое для управления двигателями Ml и М2,
которые через механизмы перемещения МП1 и МП2 смещают сва¬
рочную горелку СГ поперек стыка и по высоте.
Блок питания БП, включаемый в трехфазную сеть, выдает необ¬
ходимое напряжение для питания всех элементов системы.
Систему можно использовать при сварке нахлесточных и стыко¬
вых соединений в среде защитного газа и под флюсом.
Системы с дуговыми датчиками. При автоматизации дуговой
сварки крупногабаритных конструкций возникают следующие зада¬
чи управления сварочным процессом.
1.Задача подстройки технологических параметров сварочно¬
го процесса (амплитуды и частоты колебаний электрода, скорости
сварки и т.д.) в зависимости от изменения геометрических параме¬
тров стыка для получения шва заданного качества.
2. Задача наведения электрода на линию стыка свариваемых де¬
талей для исключения непроваренных участков в случае смещения
стыка.
При сварке крупногабаритных конструкций конфигурация сва¬
рочного стыка на всем протяжении не может оставаться постоянной,
т. е. всегда происходят изменение в достаточно широком диапазоне
углов наклона свариваемых листов и разделки кромок, появление за¬
зоров и (или) изменение их размеров, высоты разделки, коробление,
изгиб металла и др. Так, для таврового и углового стыков углы на¬
клона листов, а также углы разделки для стыка со скосом кромок мо¬
гут составлять 30.. .70°, высота разделки может быть равна 1.. .3 мм,
толщина листов 5... 10 мм, ширина зазора до 10 мм.
Очевидно, что жесткое задание параметров сварочного процесса
в этих случаях может привести к разрыву дуги. Необходимо под¬
страивать значения данных параметров непосредственно во время
процесса сварки по информации о стыке. В связи с этим актуаль¬
на задача распознавания образа стыка, т. е. получение информации
о его конфигурации и пространственном положении с необходимой
точностью непосредственно в процессе сварки.
В настоящее время перспективным подходом к распознаванию
образа стыка и его пространственного положения является получение
4.1. Системы слежения за линией стыка при дуговой сварке
227
информации по изменению тока и напряжения сварки, при этом функ¬
цию датчика выполняет сама электрическая дуга.
Датчики, основанные на использовании сварочной дуги в ка¬
честве измерительного преобразователя, позволяют проводить из¬
мерения непосредственно в точке сварки, что исключает необходи¬
мость учета транспортного запаздывания, не требует размещения
н зоне сварки каких-либо измерительных устройств, обеспечивает
определение положения соединения относительно самой сварочной
манны и дуги, благодаря чему на точность наведения не влияют из¬
нос направляющих элементов сварочного инструмента, неточность
правки электродной проволоки и магнитное дутье. Применение ду¬
ги в качестве датчика основано на измерении напряжения на дуге,
сварочного тока, частоты или скважности коротких замыканий при
сварке плавящимся электродом.
В тех случаях, когда параметры процесса изменяются случай¬
ным образом, получать информацию о положении поверхности из¬
делия значительно сложнее: необходимо не только стабилизировать
режим и условия сварки, но и для достижения требуемой точности
измерения оперировать интегральным значением сигнала или при¬
менять методы, основанные на анализе случайных процессов.
Использование дуги в качестве датчика системы наведения
на линию соединения свариваемых элементов требует еще более
сложной обработки информации. Для этого необходима довольно
сложная аппаратура обработки сигналов, создание которой для при¬
менения на производстве стало реальным только после достижения
определенного уровня развития микроэлектронной техники. Имен¬
но поэтому в последние годы возрос интерес к указанным системам,
хотя системы подобного назначения предлагались давно. Необходи¬
мость развития таких систем обусловлена и поиском средств адап¬
тации для сварочных промышленных роботов, применительно к ко¬
торым указанные выше особенности использования дуги в качестве
датчика имеют решающее значение.
Классификация систем автоматического наведения электрода
на линию соединения свариваемых элементов при использовании
дуги в качестве датчика показана на рис. 4.13.
В большинстве известных систем информационным параметром
служит сварочный ток или напряжение дуги в зависимости от кру¬
тизны характеристики источника питания: ток - при сварке на поло¬
гопадающей и жесткой характеристиках, напряжение - при сварке
на крутопадающей.
228
Глава 4. Системы слежения за линией стыка при сварке
Рис. 4.13. Классификация систем автоматического наведения электрода
на линию стыка свариваемых элементов при использовании дуги
в качестве датчика
При сварке плавящимся электродом в режиме коротких замыка¬
ний дугового промежутка наиболее подходящими информационны¬
ми параметрами могут оказаться частота коротких замыканий или
их скважность. Принцип построения системы наведения и выбор
информационного параметра зависят от технологии, техники свар¬
ки и конструкции сварочной аппаратуры.
При сварке двумя электродами, расположенными поперек ли¬
нии соединения (рис. 4.14), сигналом о положении пары электро¬
дов относительно свариваемого соединения служит разность токов,
протекающих через электроды. Такую систему можно использовать
при выполнении стыковых швов с разделкой кромок и различных
угловых швов. Недостатком системы является сложная конструкция
сварочной горелки, преимуществом - стабильный сигнал рассогла¬
сования при поперечном смещении сварочной горелки.
4.1. Системы слежения за линией стыка при дуговой сварке
229
2
Рис. 4.14. Функциональная схема системы наведения электродов на ли¬
нию стыка свариваемых элементов при двухэлектродной сварке:
/ источник питания; 2 - шунты; 3 - преобразователи; 4 - сравнивающее устрой¬
ство; 5 - усилитель; 6 - исполнительный двигатель; 7 - токоподводы сварочной
горелки
Значительно более широкие технологические возможности пре¬
доставляет сканирование дуги поперек стыка, которое достигается
либо перемещением электрода, либо отклонением сварочной дуги
магнитным полем или струей газа.
Измеряя параметры дугового процесса во времени и сопоставляя
результаты измерений с фазой сканирования, можно получить инфор¬
мацию о положении линии стыка при всех видах сканирования, а так¬
же о ширине (или форме сечения) разделки кромок при электромеха¬
ническом сканировании.
Траектория прямолинейной развертки или развертки по дуге
окружности должна быть определенным образом ориентирована
относительно линии соединения свариваемых элементов. В про¬
стейшем случае, при сварке прямолинейных швов, сканирование
осуществляется поперек направления сварки. При слежении за кри¬
волинейными соединениями необходимо изменять направление
развертки. В случае использования электромеханических устройств
сканирования изменение направления развертки достигается разво¬
ротом сварочной головки (включая колебатель), а при использова¬
нии электромагнитных устройств - изменением положения только
230
Глава 4. Системы слежения за линией стыка при сварке
магнитной развертывающей системы. Это происходит по заранее
заданной программе либо по текущим сигналам системы об ориен¬
тации линии соединения свариваемых элементов. Известны устрой¬
ства для кругового сканирования с вращением конца электрода.
При этом устраняется необходимость согласования ориентации раз¬
вертки с направлением линии соединения.
В зависимости от назначения и условий сварки системы наве¬
дения имеют различные режимы измерения информационных па¬
раметров. Непрерывное измерение, позволяющее при сканирова¬
нии получать информацию как о положении, так и о форме сечения
разделки стыка, требует стабильного режима сварки и больших
объемов вычислений. В связи со значительной случайной состав¬
ляющей при измерении параметров дугового процесса весьма эф¬
фективным является сравнение интегральных значений параметров
на смежных полупериодах сканирования.
Более просты в реализации, но менее точны системы наведения,
в которых параметры дуги измеряются в фиксированных (крайних)
положениях сварочной горелки. Они обеспечивают только направ¬
ление электрода на стык.
В электромеханических сканирующих устройствах при измере¬
нии необходимых параметров шва режим сканирования должен быть
согласован с технологией и техникой сварки. В этих случаях частота
и форма траектории развертки, как правило, заданы. При сканиро¬
вании путем отклонения дуги магнитным полем параметры разверт¬
ки можно выбирать в более широких пределах, чем при электроме¬
ханическом сканировании, так как частота отклонения дуги может
быть значительно больше, а время нахождения дуги в отклоненном
положении - меньше.
При сварке крупногабаритных конструкций технологией пре¬
дусматриваются поперечные синусоидальные или круговые колеба¬
ния электрода, которые позволяют улучшить качество соединения.
В связи с этим для построения образа стыка целесообразно исполь¬
зовать методы контроля изменения формы сварочного тока и напря¬
жения, а также гармонического анализа тока и напряжения сварки
при поперечных колебаниях электрода в процессе сварки.
На рис. 4.15 приведена форма сигналов тока и напряжения при
колебании дуги поперек стыка в процессе сварки плавящимся элек¬
тродом. Первый метод основан на сравнении сигналов тока и напря¬
жения дуги в левом (L) и правом (R) полуциклах колебания дуги.
При смещении электрода от центра (С) стыка сигналы в полуциклах
4.1. Системы слежения за линией стыка при дуговой сварке
231
Рис. 4.15. Форма сигналов тока
и напряжения дуги при попереч¬
ных колебаниях дуги относи-
1сльно стыка при дуговой сварке
плавящимся электродом
(L) (С) (R)
(С) (L) (С) (R) (С)
(С) (L) (С) (R) (С)
различны. Эту информацию можно использовать для управления
положением электрода относительно линии стыка. Закон попереч¬
ных колебаний:
v = v sinQ /,
п max 5
где vmax - максимальная скорость; Q - круговая частота колебаний дуги.
Недостатком метода при его реализации в системах слежения яв¬
ляется его низкая помехозащищенность.
Второй метод использования сварочной дуги в качестве датчика
параметров и положения стыка предполагает разработку математи¬
ческой модели, позволяющей на основе анализа гармоник тока и на¬
пряжения сварки, кратных частоте колебаний электрода, получить
полную информацию о параметрах и положении стыкового соедине¬
ния. Этот метод имеет более сложный алгоритм обработки сигналов
тока и напряжения дуги, но он надежнее и информативнее, так как
различные гармонические составляющие при их частотном разло¬
жении дают информацию о форме разделки стыка, его положении
в пространстве, длине дуги и длине вылета электрода.
Оба метода распознавания положения и параметров стыка с ис¬
пользованием дугового датчика инвариантны к различным типам
стандартных стыковых соединений и, в частности, к тавровым,
угловым стыкам со скосом и без скоса кромок.
232
Глава 4. Системы слежения за линией стыка при сварке
Рис. 4.16. Изменение амплитуды Ак колебаний электрода в зависимости
от угла а разделки кромок:
а - при номинальном угле а разделки кромок; б - при а > а ; в - при а < а
Как показала практика использования дугового датчика в си¬
стемах управления, второй метод построения системы управления
более универсален, хотя технически более сложен. При этом ме¬
тоде для получения качественного соединения при сварке стыков,
имеющих различные углы разделки кромок, с позиции требований
технологии необходима коррекция амплитуды колебаний электро¬
да в зависимости от угла разделки (рис. 4.16). Если за ан принять
угол номинальной разделки кромок, а амплитуду колебаний элек¬
трода, соответствующую значению аном, равной Лкном (рис. 4.16, а),
то при узкой разделке кромок (а > аном) амплитуда поперечных ко¬
лебаний электрода должна быть меньше номинальной, т.е. А < Акиом
(рис. 4.16, б), а при широкой разделке (ос < осном) амплитуда Ак >Акном
(рис. 4.16, в). Следует отметить, что при несоответствии амплитуды
колебаний электрода параметрам разделки кромок может нарушить¬
ся процесс сварки вплоть до разрывов дуги, например при сварке
узких стыков с большой амплитудой колебаний электрода.
При использовании дуги в качестве датчика для получения ин¬
формации о параметрах разделки кромок можно применять вторую
гармоническую составляющую сварочного тока. Амплитуда этой
гармоники при поперечных колебаниях электрода пропорциональ¬
на углу разделки кромок.
Применение методов гармонического анализа сигналов дуго¬
вого датчика для определения параметров и положения стыка.
Задача наведения электрода на стык свариваемых деталей возникает
при сварке крупногабаритных конструкций, когда листы сваривае¬
мых деталей на всем протяжении не только изменяют геометриче¬
ские параметры стыка, но и имеют изгибы по горизонтали. Точное
измерение углов разделки стыка, толщины листов, высоты разделки
и зазора возможно только при колебании электрода относительно
4.1. Системы слежения за линией стыка при дуговой сварке
233
горизонтальной оси стыка, когда смещение х = 0. Поэтому на опре¬
деленном временном интервале необходимо измерять текущее сме¬
щение стыка и в зависимости от положения сварочной головки раз¬
решать или запрещать измерение геометрических параметров стыка.
Для построения методики определения горизонтального поло¬
жения сварочного стыка следует рассмотреть зависимость ампли¬
туды гармоник на частотах, кратных частоте колебаний сварочной
головки, от смещения х каждого стыка. Анализ реальных зависимо¬
стей позволяет сделать следующие выводы:
1) график изменения амплитуды А] sin первой синусной гармони¬
ческой составляющей тока дуги на частоте колебаний электрода
имеет линейный характер в зависимости от смещения х сварочной
головки относительно оси стыка (рис. 4.17). Если -Ак < х < Лк,
то на графике появляется участок насыщения. Наклон графика к оси
абсцисс зависит от углов (а, (3) разделки кромок;
2) амплитуда синусной гармонической составляющей на утроен¬
ной частоте колебаний электрода А3 sin = 0 при любых изменениях па¬
раметров стыков, если сварочная головка колеблется симметрично
^ 1 sin’ А
Рис. 4.17. Зависимость амплитуды Ах sin синусной гармонической состав¬
ляющей сварочного тока на частоте колебаний электрода от смещения х
электрода при разных углах (а, (3)
234
Глава 4. Системы слежения за линией стыка при сварке
относительно оси стыка, т.е. когда х = 0; A3sm Ф 0 при смещенных
колебаниях (х Ф 0) сварочной головки относительно оси контроли¬
руемого стыка в некоторой ограниченной области х е [-хп, хп];
3) график изменения амплитуды косинусной гармонической
составляющей тока дуги на удвоенной частоте колебаний электро¬
да А2 cos в зависимости от смещения х стыка симметричен относи¬
тельно оси ординат. При этом амплитуда данной составляющей при
х = 0 имеет максимальное значение и линейно зависит от углов (а, (3)
разделки кромок (рис. 4.18). Следовательно, выделяя эту составляю¬
щую, можно получить сигнал управления амплитудой Ак колебаний
электрода при разных углах а разделки кромок стыка;
4) на графике (см. рис. 4.18) для каждого стыка можно опреде¬
лить некоторое пороговое значение А2 пор, соответствующее грани¬
цам интервалахе [-хп,xj.
Алгоритм измерения горизонтального смещения стыка в дис¬
кретной форме имеет следующий вид.
1. Пусть на k-м отсчете А3 sin Ф 0. С этого отсчета измерение гео¬
метрических параметров стыка не происходит. Сигнал управления,
выдаваемый на устройство коррекции горизонтального положения
электрода на (к + 1 )-м отсчете
х [к+ 1] -К. А. [к\ при \А, I < L4, I;
кор1- J 1 1 smL J г 1 2COS1 1 2 пор1’
х [Л + 1 ] = К А[£] при \А | > |Л, |,
кор1- J 2 3 smL J г 1 2 cos1 1 2 пор1’
где KVK2- коэффициенты пропорциональности.
При этом положение сварочной головки
х[к + 1 ] = х[к] - хкор [к+ 1 ].
^ 2 cos’ ^
Рис. 4.18. Зависимость ам¬
плитуды Л2 cos косинусной гар¬
монической составляющей
сварочного тока удвоенной
частоты от смещения х элек¬
трода относительно стыка при
разных углах (а, Р) разделки
кромок
4.1. Системы слежения за линией стыка при дуговой сварке
235
2. На каждом отсчете происходит измерение значения ^3sin. Если
на //7-м отсчете A3sin = О, то проводится оценка геометрических пара¬
метров стыка по значению
Смещение стыка
Ax = vnKAt(m-n),
I до к - скорость поперечной коррекции сварочной головки.
Применение данного алгоритма позволяет не только наводить
электрод на стык с достаточной точностью, но и восстанавливать
мри этом траекторию горизонтального изгиба сварочного стыка.
Информационно-управляющая система с дуговым датчи¬
ком при сварке плавящимся электродом. Предложенные мето¬
ды определения геометрических параметров стыкового соединения
и управления смещением электрода позволяют построить информа-
ционно-управляющую систему (рис. 4.19) процессом сварки.
Основными элементами системы, согласно данной схеме, явля¬
ются устройства ввода, обработки и передачи информации.
Устройство ввода информации представляет собой аналоговый
фильтр низких частот и аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
на четыре входа. Фильтр низких частот, установленный перед
АЦП, необходим для подавления в исходных аналоговых сигналах
р
iCB’ '“'СВ
Vn> VCB
Устройство
ввода
информации
Устройство
обработки
информации
Устройство
отображения
образа стыка
к системе
управления
Устройство
передачи
информации
Устройство
р
печати
Рис. 4.19 Функциональная схема информационно-управляющей системы:
7,2- кромки V-образного стыка; 3 - электродная проволока; 4 - сварочная голов¬
ка; 5 - ролики подачи электродной проволоки
236
Глава 4. Системы слежения за линией стыка при сварке
высокочастотных составляющих от помех, на порядок превышаю¬
щих максимальную частоту в частотном разложении реального фи¬
зического сигнала (т.е. превышающих частоту Найквиста):
Л 2Д/’
где А/ - временной интервал дискретизации физического сигнала.
В связи с тем, что ни один фильтр низких частот (ФНЧ) не име¬
ет вертикально падающую частотную характеристику, вырезающую
частоту фильтра задают равной
/ФНЧ«(0,7...0,8 )/с.
Такой прием обеспечивает хорошее сглаживание всех колебаний
с частотами, превышающими^.
Для выбора интервала дискретизации At необходимо задаться
интервалом измеряемых частот, который определяется наибольшей
частотойу^ в спектре анализируемого сигнала, кратной частоте ко¬
лебаний электрода. Было определено, что для измерения геометри¬
ческих параметров стыков достаточно пяти гармонических состав¬
ляющих, т. е.
/ =5Л
J max J к
При этом граничную частоту рекомендуется выбирать в пределах
/„-(5.5...6.0)/,.
Интервал дискретизации At определяется по теореме Котельни¬
кова как
Для получения максимального отношения полезного сигнала
к среднему квадратическому уровню шума сигнал в АЦП следует раз¬
бивать на как можно большее число уровней квантования. Чтобы полу¬
чить отношение пикового значения сигнала к значению помехи, равное,
например, 60 и 80 дБ, диапазон значений сигнала необходимо разбить
на 256 и 4 096 уровней (8 и 12 бит информации) соответственно.
Оценка минимального требуемого времени преобразования сиг¬
нала применительно к системе управления показала, что в систе¬
ме можно использовать АЦП типа К1113ПВ1. Такой АЦП являет¬
ся функциональным аналогом интегральной схемы AD 571 фирмы
Analog Device и имеет 10 разрядов с временем преобразования 25 мкс.
4.1. Системы слежения за линией стыка при дуговой сварке
237
АЦП непосредственно подключается к устройству обработки ин¬
формации, представляющему собой персональную ЭВМ. Для обеспе¬
чения работы системы используется программное обеспечение, по¬
зволяющее выдавать управляющие сигналы с АЦП через промежуток
времени А/, определять амплитуды и фазы гармонических составляю¬
щих тока и напряжения сварки через промежутки времени Т = 1//*,
оценивать геометрические параметры стыка, визуализировать резуль¬
таты, распечатывать протокол работы системы, а также выдавать че¬
рез устройство передачи информации корректирующие сигналы
на привод перемещения сварочной головки.
Устройство передачи информации представляет собой цифроана¬
логовый преобразователь (ЦАП) и устройства сопряжения с механиз¬
мами коррекции. К используемым в информационно-управляющих
системах сварочного процесса ЦАП не предъявляют жестких требова¬
ний относительно времени преобразования, поэтому в качестве ЦАП
может быть выбран преобразователь типа К572ПА1 со временем пре¬
образования 480 нс или его функциональный аналог AD7520 фирмы
Analog Device.
Алгоритм работы информационно-управляющей системы вклю¬
чает три этапа.
1. Устройством обработки информации (ЭВМ) осуществляется
расчет гармонических составляющих и коэффициентов регрессион¬
ных полиномов при заданном диапазоне изменения геометрических
параметров стыка по результатам компьютерного моделирования.
2. Корректируется положение сварочной головки автомата или ро¬
бота относительно стыка по результатам расчета гармонических со¬
ставляющих сварочного тока на частотах, кратных частоте колебаний
электрода.
3. После того как ось колебаний сварочной головки совмеще¬
на с осью стыка, система фиксирует начало координат и начинает
построение образа стыка. Для этого в каждый период колебаний
определяются значения амплитуд гармонических составляющих
сварочного тока, которые подставляются в регрессионные полино¬
мы. По результатам измерений формируются управляющие воздей¬
ствия. При измерении геометрических параметров стыка система
пересчитывает коэффициенты полиномов.
Следящая система с дуговым датчиком для аргонодуго¬
вой сварки неплавящимся электродом криволинейных изде¬
лий. В практике сварки часто встречаются криволинейные пло¬
ские швы, например продольные стыки на поверхностях вращения
238
Глава 4. Системы слежения за линией стыка при сварке
Рис. 4.20. Перемещения сварочной горелки при сварке деталей с криволи¬
нейной образующей в вертикальной плоскости:
ос. - угол, образованный направлением скорости vr и касательной (вектор vcb)
в /-й точке свариваемого профиля
с криволинейной образующей в вертикальной плоскости (рис. 4.20).
Для сохранения заданного режима при сварке таких профилей конец
электрода должен описывать эквидистантную кривую (штриховая
линия) в плоскости профиля, чтобы в любой точке сварки длина ду¬
ги поддерживалась постоянной. Сварочная горелка должна повора¬
чиваться в этой плоскости на угол (3 = тг/2 относительно направле¬
ния вектора скорости сварки усв, т. е. по касательной к поверхности,
на которой формируется шов. При этом стабилизируются скорость
подачи присадочной проволоки и условия защиты сварочной ванны
аргоном.
Скорость горизонтального перемещения сварочного инструмен¬
та vp при сварке продольных криволинейных поверхностей должна
изменяться так, чтобы результирующая скорость усв, получаемая пу¬
тем геометрического сложения ур и ув, в любой точке А. сварки была
постоянной и заданной по режиму.
Итак, при сварке указанных профилей необходимо выполнить
три условия:
/ = const; 6 = const; у = const.
Д 7 ’ 7 СВ
В общем случае соответствующие скорости должны изменяться
следующим образом:
v> - vCBsina,.;
vr =vCBsina,,
(4.2)
4.1. Системы слежения за линией стыка при дуговой сварке
239
где \’и - скорость возвратно-поступательного перемещения электро¬
да а вертикальной плоскости в /-й точке свариваемого профиля.
Технологическими исследованиями при аргонодуговой сварке
вольфрамовым электродом криволинейных профилей из коррози¬
онно-стойкой стали 12X18Н9Т и алюминиевых сплавов типа АМг
и ЛМц толщиной 1...4 мм установлены следующие требования
к САР: регулирование и автоматическое поддержание заданной дли¬
ны дуги / с точностью 0,25...0,3 мм при vcb = 30 м/с; автоматическая
стабилизация угла (3 наклона электрода к вектору усв в любой точке
свариваемого профиля с точностью ±5°; регулирование и автомати¬
ческое поддержание скорости сварки vcb по всему свариваемому про¬
филю с точностью ±5 %.
Известны конструкции сварочных автоматов и головок (АСГ,
Л ГР и др.), которые обеспечивают автоматическую стабилизацию
длины дуги в процессе сварки по изменению напряжения дуги. Од¬
нако в случае криволинейного профиля свариваемого изделия могут
изменяться параметры vcb и (3. При сварке кольцевых и прямолиней¬
ных швов, искривление которых носит случайный характер и обыч¬
но ограничено небольшими пределами, отклонения vcb и (3 от задан¬
ных значений малы и их влияние на качество сварного соединения
несущественно. Для сварки поверхностей с переменной кривизной
эти автоматы использовать нежелательно, так как изменение v и (3
существенно влияет на качество сварки.
Обеспечить условия (3 = const, vcb = const можно с помощью спе¬
циальных электромеханических датчиков угла, контактирующих
с поверхностью детали. Такие датчики обычно крепят к сварочной
головке впереди или сбоку от электрода. В этом случае кривизна по¬
верхности измеряется не в точке сварки, а в точке контакта датчика
с деталью, что при значительной кривизне поверхности детали при¬
водит к большим погрешностям. Кроме того, вследствие достаточно
больших размеров таких датчиков ограничивается их применение
на автоматах.
Очень часто при работе автомата вообще отказываются от дат¬
чиков и все регулирование выполняют вручную. Скорость сварки
иногда регулируют по шаблону, что целесообразно лишь при свар¬
ке большого числа однотипных деталей. Если на одной установке
необходимо сваривать множество разнообразных деталей слож¬
ной формы и качество сварного соединения должно быть высоким,
го при проектировании такой установки следует закладывать но¬
вые принципы построения САР указанных параметров, поскольку
240
Глава 4. Системы слежения за линией стыка при сварке
с помощью шаблонов и копирных датчиков получить сварной шов
требуемого качества не удается.
Оригинальным в этом плане является автомат АГК-1, предназна¬
ченный для аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом дета¬
лей из коррозионно-стойких сталей и жаропрочных сплавов током
до 300 А с применением присадочной проволоки. Всем перечислен¬
ным выше требованиям он полностью удовлетворяет.
В основу работы системы управления этого автомата положен
принцип решения тригонометрических уравнений (4.2) с помощью
следящей системы (рис. 4.21). Одним из элементов этой системы
является цифровой вычислитель, выполняющий функции преобра¬
зователя координат ПК, с двумя входами и двумя выходами, и элек¬
тронная схема системы АРНД.
Система АРНД обеспечивает постоянство длины дуги с помо¬
щью устройства, реагирующего на изменение напряжения дуги, ко¬
торое пропорционально ее длине. Необходимое по режиму сварки
напряжение дуги U3 на сумматоре Rl, R2 непрерывно сравнивается
с действительным (сглаженным фильтром ФС) напряжением U . Раз¬
ность напряжений усиливается усилителем У1 и подается на привод
вертикального перемещения сварочной горелки СГ. Двигатель Ml
Рис. 4.21. Функциональная схема автомата АГК-I с системой слежения
за профилем детали
4.1. Системы слежения за линией стыка при дуговой сварке
241
ною привода в зависимости от поступающего сигнала через редук¬
тор Рд 1 поднимает или опускает СГ. Последняя движется до тех пор,
пока разность AU = U - U3 не станет равной нулю.
При отработке разности напряжений САР длины дуги принуди¬
тельно обеспечивается возвратно-поступательное движение элек¬
трода со скоростью уэ, зависящей от скорости сварки и кривизны
свариваемого профиля:
v = v sin а .
В СВ /
Требуемая по режиму сварки скорость сварки vc°B задается через
задающее устройство ЗУ в виде напряжения С/(), которое при опреде¬
ленном режиме сварки остается постоянным. Неизвестны только
скорость горизонтального перемещения сварочной головки vr
и угол а, образованный направлением vr. и касательной в данной точ¬
ке профиля свариваемого изделия.
Определение значений этих величин в системе АГК-1 происхо¬
дит следующим образом. На один из входов ПК (см. рис. 4.21) с ЗУ
подается напряжение UQ9 пропорциональное требуемой по режиму
скорости сварки vc°B. С первого выхода ПК снимается напряжение
и.= ип Ksina,
где £/пк - аналоговое напряжение на выходе ПК; ос. - угол поворота
выходного вала редуктора Рд2 относительно его нулевого положения.
Напряжение С/ непрерывно сравнивается с напряжением kUsin ос.
тахогенератора ТГ, пропорциональным скорости возвратно-посту¬
пательного движения электрода vb. Разность напряжений AU уси¬
ливается усилителем У2 и подается к устройству, двигатель М2
которого поворачивает через редуктор Рд2 и пантограф жестко свя¬
занную с ним сварочную горелку СГ в ту или иную сторону. Сле¬
дящая система придет в равновесие при апк = ос.. При этом горелка
повернется на угол ос. и займет заданное исходное положение отно¬
сительно детали (угол наклона Р). Одновременно со второго выхода
ПК снимается напряжение U = t/nKcosocnK, которое усиливается в УЗ
и используется для питания якоря двигателя М3, обеспечивающего
через редуктор РдЗ скорость горизонтального перемещения свароч¬
ной головки по закону v = v cos ос..
В автомате АГК-1 в качестве исполнительного двигателя пере¬
мещения СГ по вертикали применен двигатель Д-25. Аналогичный
двигатель используют для системы стабилизации угла наклона элек¬
трода. Скорость слежения при этом равна 20 %.
242
Глава 4. Системы слежения за линией стыка при сварке
Рис. 4.22. Структурная схема автоматической системы ориентации сва¬
рочного инструмента по криволинейному стыку в процессе сварки
Для горизонтального перемещения каретки (для обеспечения vr)
служит двигатель типа СД-150.
Структурная схема автоматической системы для сварки непо¬
воротных деталей, приведенная на рис. 4.22, состоит из трех кана¬
лов (независимого Z, работающего по принципу системы слежения
за длиной дуги, и зависимых а и х), которые решают уравнения
vB=vCB since; vr = vCB cos a; vCB =Jvri +v„
с использованием цифрового вычислителя ПК.
Заданными параметрами при вычислениях считают требуемую
скорость сварки ус°в и длину дуги /° ~ U°a.
Схема алгоритма работы этой системы управления приведена
на рис. 4.23.
Анализ структурной схемы (см. рис. 4.22) показывает, что в ре¬
ализованной таким образом системе имеется прямая связь между
каналами Z, a, X. Передаточная функция относительно параметра
X есть произведение передаточных функций всех трех каналов:
ФД/0
Х{р)
КЛр)
ф|(/>)ф2(/>)ф3(/>).
Недостаток рассмотренной системы состоит в том, что в про¬
цессе сварки изменяется угол а. Это приводит к изменению значе¬
ния и знака угла наклона сварочной ванны относительно горизон¬
тальной плоскости, что влияет на качество формирования сварного
4.1. Системы слежения за линией стыка при дуговой сварке
243
Рис. 4.23. Схема алгоритма работы автоматической системы ориентации
сварочного инструмента по криволинейному стыку в процессе сварки
соединения. Для устранения этого недостатка приходится вводить
специальную программную коррекцию режимов сварки (тока /
и функции угла а). Кроме того, при значительном увеличении уг¬
ла а снижается чувствительность к{а), В/мм, дуги: к(а) = £ cos ос, где
к - чувствительность дуги (градиент столба дуги при a = 0), что
уменьшает точность следящей системы.
Системы с оптико-электронными датчиками1. В качестве
чувствительного элемента в этих датчиках применяют фотодиоды,
фототранзисторы и телевизионные трубки вакуумного и твердо¬
тельного исполнения.
Среди трубок вакуумного исполнения в телевизионных системах
используют видиконы и супероптиконы. В датчиках с трубкой твердо¬
тельного исполнения применяют приборы с зарядовой связью (ПЗС).
Телевизионные системы для дистанционного наблюдения и сле¬
жения за процессом сварки на базе ПЗС-трубок в последние годы
практически вытеснили телевизионные системы с датчиками ва¬
куумного исполнения. С использованием в телевизионных систе¬
мах ПЗС-элементов значительно уменьшились габариты, возросли
1 Термин «оптико-электронные» подразумевает использование в конструк¬
ции датчиков как элементов прикладной оптики, так и полупроводниковых при¬
емников излучения.
244
Глава 4. Системы слежения за линией стыка при сварке
быстродействие и надежность работы телевизионных датчиков при
сохранении всех функциональных возможностей ранее разработан¬
ных телевизионных систем с вакуумными датчиками.
Формирователи сигнала изображения (ФСИ) на ПЗС подразделя¬
ют на две группы: линейные (одномерные) и матричные (двумерные).
Линейные формирователи сигнала изображения (ЛФСИ) содержат
один ряд фоточувствительных элементов, расположенных вдоль ли¬
нии, обычно строки (однострочные ПЗС). Электронное самоскани-
рование осуществляется по одной координате, и формируется сигнал
одномерного изображения объекта. Эти устройства можно использо¬
вать при контроле за технологическими процессами производства,
при специальном анализе, анализе оптической плотности микро-
и макроматериалов. Для получения двумерного изображения с помо¬
щью ЛФСИ необходимо применить механическое сканирование, т.е.
перемещать по второй координате ЛФСИ относительно объекта или
объект относительно ЛФСИ. Наличие одного ряда фоточувствитель¬
ных элементов в ЛФСИ позволяет реализовать простую организацию
считывания заряда и достичь высокого разрешения вдоль оси прибо¬
ра. Используя механическую развертку совместно с таким прибором,
можно получить в малокадровых телевизионных системах изображе¬
ние объекта с высокой разрешающей способностью.
Матричный формирователь сигнала изображения (МФСИ) яв¬
ляется твердотельным аналогом передающей телевизионной труб¬
ки. Он представляет собой двухкоординатный массив светочув¬
ствительных элементов, в котором электронное самосканирование
осуществляется по обеим координатам и формируется двумерное
телевизионное изображение объекта.
Простота принципа, заложенного в работу ПЗС, отсутствие в нем
множества />-я-переходов и индивидуальных контактов позволяет
сконструировать твердотельный аналог телевизионной трубки в виде
большой интегральной схемы с высокой степенью интеграции. Совре¬
менный телевизионный датчик на ПЗС представляет собой кремние¬
вую пластину размером с небольшую почтовую марку. Он содержит
несколько сотен тысяч миниатюрных емкостей, на его поверхность
проецируется оптическое изображение. Таким образом, появление
ПЗС позволило реализовать идею твердотельного ФСИ, обладающе¬
го недостижимыми для вакуумных электронно-лучевых трубок свой¬
ствами: жестким растром, отсутствием геометрических искажений,
безынерционностью, высокой механической прочностью, низким пи¬
тающим напряжением, малыми габаритами и массой.
4.I. Системы слежения за линией стыка при дуговой сварке
245
Нели необходимые для работы телевизионных систем с ПЗС-дат¬
чиком светоконтрастные элементы на поверхности изделия отсут-
с ту ют, то применяют специальные способы освещения и выделения
информации о положении линии соединения. Так, при выполнении
угловых швов тавровых соединений проектор с мощной ксеноновой
лампой освещает зону соединения под углом 65° (рис. 4.24) к гори¬
зонтали, а видеосенсор направлен в ту же зону под углом 45°. Благо¬
даря разным углам падения светового потока на вертикальный и го¬
ризонтальный свариваемые элементы их освещенность оказывается
различной. В качестве фотоприемника здесь используют полупро¬
водниковую светочувствительную ПЗС-матрицу с числом элемен¬
тов 50 х 50. От элементов матрицы получают аналоговый сигнал,
пропорциональный освещенности Q, который затем конвертирует¬
ся в 4-битовый цифровой сигнал (уровни освещенности 0-15). Этот
сигнал поступает в микроЭВМ, которая обрабатывает и выдает ин¬
формацию о положении стыка в пространстве. Чтобы определить
положения начала и конца шва, в зону наблюдения с помощью про¬
ектора 8 (см. рис. 4.24) проецируется точка диаметром 3 мм. Появле¬
ние точки в определенном месте зоны наблюдения свидетельствует
Рис. 4.24. Схема определения положения линии таврового соединения
с помощью видеосенсора на ПЗС-матрице:
1 - линия соединения свариваемых элементов; 2 - зона видимости; 3 - зона ос¬
вещения; 4 - осветитель; 5 - зона, в которой находится изображение светового
пятна при наличии под ним изделия; 6 - изображение светового пятна на видео-
контрольном устройстве; 7 - освещенность зоны видимости; 8 - изображение
границы участков с различной освещенностью; 9 - корпус ПЗС-приемника; 10-
проектор световой точки; II- световая точка
246
Глава 4. Системы слежения за линией стыка при сварке
о наличии шва под сенсором, а ее исчезновение - о проходе конца
шва под сенсором. Эта информация используется для включения
и выключения сварочного оборудования.
Другим примером получения светоконстрастных элементов
на поверхности стыковых соединений с двухсторонней разделкой
стыка является теневой метод (рис. 4.25). Световое сечение и поло¬
жение стыка при этом методе получаются от линейного источника
света, расположенного параллельно поверхности изделия 3. Свето¬
вой поток от линейного источника 1 падает под углом а к поверх¬
ности свариваемого изделия и частично экранируется шторкой 2,
расположенной на расстоянии 10... 15 мм от поверхности изделия 3.
Приемник 4 изображения стыка реализован на ПЗС-матрице и рас¬
положен под углом Р к плоскости свариваемого изделия.
Высота изображения разделки, проецируемой при этом на свето¬
чувствительную поверхность ПЗС-матрицы,
где кот - коэффициент оптического увеличения; Яр - глубина раз¬
делки; ос - угол, под которым тень от шторки падает на поверхность
изделия; Р - угол наблюдения.
Рис. 4.25. Схема получения контрастного изображения стыка теневым
методом
Б
4.1. Системы слежения за линией стыка при дуговой сварке
247
Наибольшее увеличение при заданном значении а получается,
если ос + Р = 90°. Сигнал на выходе видеосенсора содержит ин¬
формацию об изображении стыка на поверхности ПЗС-матрицы.
()бработка сигнала датчика позволяет отчетливо различать и при
необходимости измерять следующие геометрические параметры:
площадь сечения разделки, расстояние между поверхностями ско¬
са кромок на заданной глубине, взаимное превышение поверхно¬
стей свариваемых элементов. Теневой метод можно использовать
для получения информации и адаптивного управления параметра¬
ми сварки.
Световое сечение формы разделки стыка можно получить также
от сканируемого поперек стыка луча точечного источника света (на¬
пример, светодиода) по схеме, приведенной на рис. 4.26, а.
Картина стыка, воспринимаемая матричным ПЗС-приемником,
определяется типом соединения (рис. 4.26, б, в). След линии стыка от¬
четливо виден, и, следовательно, его координаты относительно сенсора
Рис. 4.26. Визуальный анализатор формы и положения стыка со сканируе¬
мым поперек стыка лучом от точечного источника света:
а - схема, поясняющая сущность метода (7 - свариваемые элементы; 2 - контрастная
линия (ABECD) на поверхности свариваемых элементов; 3 - сканирующее зеркало;
4 - коллиматор; 5 - видеосенсор; 6 - светодиод; 7 - матричный ПЗС-приемник; 8 -
объектив); б - направление освещения (показано стрелкой) и изображения формы
стыка свариваемых элементов для различных соединений (7 - стыковое с раздел¬
кой; 2 - стыковое с зазором; 3 - тавровое; 4 - нахлесточное); в - изображение стыка
на экране видеоконтрольного устройства
248
Глава 4. Системы слежения за линией стыка при сварке
могут быть определены. Фактические смещения линии стыка по ко¬
ординатам Укр и Z3Kp связаны с видимыми на экране видеоконтрольно-
го устройства (координаты Y' и Z') следующими соотношениями:
ДГ =ДYk ; AZ' = AZk k ,
жр о.в’ о.в тр’
где ков - коэффициент оптического преобразования видеосигнала
в изображение; к - коэффициент триангуляции, определяемый за¬
данными конструкцией датчика угловыми параметрами расположе¬
ния источника света и приемника изображения.
В системе применен триангуляционный метод измерения пара¬
метров стыка. Он позволяет определить зазор в соединении (превы¬
шение кромок АН = АН'1кок^) и площадь сечения разделки (пло¬
щадь треугольника В'С'Е' с учетом коэффициентов ков и £тр) или
завариваемой части угловых и нахлесточных соединений.
Для того чтобы проводить измерения в зонах, расположенных
перед точкой сварки и после нее, можно осуществлять круговое ска¬
нирование лазерного луча вокруг точки сварки. При этом за один
цикл сканирования выполняется измерение площади одного цилин¬
дрического или конического светового сечения соединения, под¬
готовленного под сварку, и одного сечения полученного сварного
соединения.
Система, реализующая такой метод измерения, основана на ис¬
пользовании лазерного дальномера с применением принципа три¬
ангуляции (рис. 4.27). В качестве излучателя используется полу¬
проводниковый лазер 1 из арсенида галлия мощностью 1...10 Вт
в импульсе, работающий на волне длиной 904 нм (ближний инфра¬
красный свет). Излучение лазера формируется оптической систе¬
мой 2 в тонкий луч диаметром 2 мм на выходе из системы и 0,3 мм
на расстоянии 180 мм от нее. На поверхность изделия 7 проециру¬
ется яркое пятно соответствующего диаметра. Положение пятна на¬
блюдается под углом 15...20° к оси этого луча второй оптической
системой - объективом 6, который фокусирует изображение пятна
на полупроводниковой ПЗС-линейке 4. Расстояние между центра¬
ми элементов такой линейки может составлять 10... 15 мкм, при
этом чувствительность достаточна для получения различимого им¬
пульса в широком диапазоне изменения коэффициента отражения
поверхности изделия. Для уменьшения влияния света дуги перед
приемником ПЗС-линейки ставится интерференционный фильтр 5.
Вторая оптическая система обеспечивает разрешающую способ¬
ность 0,3...0,5 мм в зависимости от расстояния случайных помех
4.1. Системы слежения за линией стыка при дуговой сварке
249
Рис. 4.27. Видеосенсор с круговым сканированием лазерного луча вокруг
точки сварки:
а - оптическая схема использования метода триангуляции в сенсоре с фотоприем-
пиком в виде ПЗС-линейки; б-схема вращения сенсора вокруг точки сварки; / - фо¬
кусирующая система; 2 - полупроводниковый лазер; 3 - изображение освещенной
точки изделия на фотоприемнике; 4 - фотоприемник (ПЗС-линейка); 5 - интерфе¬
ренционный фильтр; 6 - объектив; 7 -изделие; 8 - двигатель кругового сканирова¬
ния; 9 - видеосенсор; 10 - горелка; 11 - сварной шов; 12 - свариваемые элементы
в диапазоне от / . = 100 мм до / = 200 мм от выходного отверстия
min max
оптической системы лазерного излучателя.
Далее информация подвергается предварительной фильтрации,
определяется расстояние от сварочной горелки до поверхности из¬
делия, и на основании результатов многократных измерений (при¬
мерно двухсот в течение одного поворота датчика вокруг горелки,
из которых около 80 % достоверных) формируется полная трехмер¬
ная модель получаемого соединения в зоне сварки. С помощью этой
модели можно определить угол разделки между свариваемыми эле¬
ментами, превышение кромок, форму наплавленного валика, рас¬
стояние между горелкой и поверхностью изделия, угол между осью
горелки и линией стыка.
250
Глава 4. Системы слежения за линией стыка при сварке
Для более полного использования информации, получаемой
с помощью сенсора такого типа, система управления должна вклю¬
чать в себя 16-разрядный микроконтроллер или компьютер с интер¬
фейсом. Кроме того, система управления должна содержать матема¬
тическую модель процесса сварки, которую можно применять для
управления режимом сварки в зависимости от геометрических па¬
раметров разделки и получаемого сварного соединения.
Цифровая система слежения за линией стыка на ПЗС-линейке.
Система, разработанная в МГТУ им. Н. Э. Баумана в виде автономно¬
го малогабаритного модуля, предназначена для укомплектования сва¬
рочных установок, используемых при сварке изделий с кольцевыми
и продольными швами большой протяженности (трубы, оболочки,
баллоны и т. п.).
Видеосенсор системы слежения состоит из оптического и элек¬
тронного блоков, формирующих изображение образа стыка; он ре¬
ализован на ПЗС-линейке TCD1304AP с числом пикселов, рав¬
ным 3 648. Преобразовательные и управляющие блоки системы
выполнены в цифровом виде на базе процессора ADSP2191 и мик¬
роконтроллера PIC17C756 и не требуют применения компьютера.
Ниже приведены технические показатели системы:
Ширина стыка, мм 0,01-10
Погрешность определения центра стыка, мм ±0,05
Минимальный контраст изображения стыка 0,1
Время обработки кадра, мс 10
Выходной аналоговый сигнал, В ±10
Тип выходного цифрового интерфейса RS485
Напряжение питания, В 18-36
Размеры оптического блока, мм 55 х 60 х 60
Размеры блока индикации, мм 210 х 150 х 85
Структурная схема системы слежения с цифровыми элементами
управления приведена на рис. 4.28.
Детали 1 образуют сварной стык 2. Сварочная головка 5 уста¬
новлена на приводе поперечной коррекции. Она совершает попереч¬
ные и продольные движения со скоростью vcb в направлении сты¬
ка. Оптико-электронный датчик 4 (далее датчик) системы слежения
ориентирован на стык в точку, отстоящую на расстояние L > 20 мм
от электрода. Это расстояние определяется конструктивными осо¬
бенностями сварочной головки и допустимой ошибкой позициони¬
рования электрода относительно линии стыка, которая обусловлена
его кривизной. Место сварки освещается источником подсветки 3.
4.1. Системы слежения за линией стыка при дуговой сварке
251
RS485
RS485
с
ЦБУ
■«VcB Привод
ИП
Lx~c_
1 :
"—5
V 1Сг^
Рис. 4.28. Структурная схема цифровой системы слежения за линией
стыка с ПЗС-линейкой
Датчик формирует сигнал рассогласования по положению
электрода относительно сварочного стыка. По последовательно¬
му каналу RS485 значение сигнала рассогласования от датчика
передается в цифровой блок управления ЦБУ системы слежения.
Вычислительные возможности электронного блока датчика ре¬
ализованы на базе процессора ADSP2191 фирмы Analog Device.
Цифровой блок управления включает в себя средства ручного
и автоматического управления процессом сварки, которые реали¬
зованы на базе однокристального микроконтроллера PIC17C756.
Встроенный графический индикаторный модуль (графический
дисплей) с разрешением 240 х 320 точек позволяет отображать
на дисплее режимы работы сварочной аппаратуры: параметры
процесса сварки (ток, напряжение дуги), смещение (ошибку по¬
зиционирования) электрода относительно линии стыка. С помо¬
щью интерфейса RS485 ЦБУ передает командные сигналы в блок
управления приводами БУП, на выходе из которого формируется
аналоговый сигнал управления сервоприводом 6 поперечной кор¬
рекции сварочной головки (привод Y). Для регистрации и хране¬
ния значений параметров процесса сварки в системе управления
по аналого-цифровому тракту реализована связь между источни¬
ком питания ИП и ЦБУ.
Задача оптико-электронного датчика системы слежения заклю¬
чается в распознавании и вычислении координат точки реального
положения стыка. Сенсорная часть оптического датчика построена
на базе ПЗС.
252
Глава 4. Системы слежения за линией стыка при сварке
Одномерные датчики (ПЗС-линейки) в сравнении с двумерными
(ПЗС-матрицы) имеют ряд преимуществ:
• скорость сканирования ПЗС-линейки (одно полное измере¬
ние) на один-два порядка выше, чем у ПЗС-матрицы;
• число светочувствительных элементов ПЗС-линейки может
превышать в 10 раз число точек ПЗС-матрицы в одном измерении;
• диапазон воспринимаемых яркостей ПЗС-линейки в 10 раз
больше значения аналогичного параметра ПЗС-матрицы;
• ПЗС-линейка имеет сравнительно невысокую стоимость;
• возможно применение специализированных ПЗС-линеек,
имеющих аппаратные средства фильтрации шумов и защиту от на¬
сыщения ячеек вследствие высокого уровня сигнала.
Недостатком ПЗС-линейки является невозможность получения
за одно измерение изображения всей зоны сканируемого объекта.
Подобная задача решается только за счет применения двумерной
ПЗС-матрицы.
С применением ПЗС-линеек возможна реализация адаптивных ал¬
горитмов поиска и слежения за стыком в процессе сварки. Специаль¬
ные программные средства позволяют системе хорошо работать как
при условии высококонтрастного отображения образа стыка, так и сле¬
дить за стыком при сварке изделий из загрязненных или подверженных
коррозии материалов. Программные средства позволяют селектиро¬
вать стык на фоне поверхностных дефектов свариваемого материала.
Структурная схема измерительного тракта одномерного датчика
показана на рис. 4.29.
Рис. 4.29. Структурная схема измерительного тракта одномерного датчика
4.2. Системы автоматического слежения за линией стыка при ЭЛС
253
Рис. 4.30. Измерительный и
управляющий блоки систе¬
мы слежения:
/ оптико-электронный датчик
(иидеосенсор); 2 - цифровой
(шок управления системой сле¬
жения с графическим дисплеем
Световой поток Q направлен на стык 2, образуемый деталями 1 и 3
(см. рис. 4.29). Отраженное излучение через фокусирующий объек¬
тив 5 и линзу б попадает на чувствительные элементы 8 ПЗС-линейки 7,
установленной в корпусе датчика. Отраженный поток, направленный
на отдельно взятый чувствительный элемент ПЗС-линейки, пропорци¬
онален освещенности того участка поверхности сканируемого объек¬
та, который отображается на эту ячейку, например участка 4. Основное
свойство ПЗС - это способность интегрировать излучение, воздейству¬
ющее на чувствительные элементы. Таким образом, напряжение, сни¬
маемое с каждой ячейки, пропорционально освещенности соответству¬
ющего участка поверхности объекта, умноженной на время освещения
объекта. Блок управляющей логики осуществляет последовательный
вывод напряжений с элементов ПЗС-линейки на аналого-цифровой
преобразователь АЦП. Цифровой код измеренного напряжения с вы¬
хода АЦП передается в память цифрового сигнального процессора
ЦСП для расчета реального положения сварочной головки относитель¬
но стыка свариваемых деталей. Координаты точки стыка передаются
по интерфейсу RS485 в блок коррекции положения сварочной головки.
Общий вид комплекта цифровой аппаратуры систем слежения
с графическим дисплейным блоком и оптико-электронным датчи¬
ком показан на рис. 4.30.
4.2. Системы автоматического слежения за линией стыка
при электронно-лучевой сварке
4.2.1. Копировально-следящая система
Качество соединений при ЭЛС зависит от точности совмещения
пучка электронов с линией стыка. В первых автоматических системах
использовали метод наведения пучка по копиру.
254
Глава 4. Системы слежения за линией стыка при сварке
Применение вместо копиров кромок стыка позволило повысить
эффективность копирных систем благодаря исключению изготовле¬
ния шаблонов. При механическом копировании линии стыка целесо¬
образно использовать технологический буртик, к которому поджи¬
мается с помощью пружины электронно-лучевая пушка. При сварке
по разделке кромок в качестве копира можно использовать подпружи¬
ненный ролик, катящийся в разделке и жестко связанный с пушкой.
При проектировании электронных следящих систем для ЭЛС
перспективны принципы выделения полезного сигнала о стыке, со¬
четающие методы телевизионно-вычислительной техники, а также
методы получения информации о положении стыка относительно
пучка путем обработки сигнала вторично-эмиссионного тока, воз¬
никающего при облучении поверхности стыка острофокусным пуч¬
ком электронов.
4.2.2. Аналого-цифровые системы слежения за линией стыка
с датчиком вторичных электронов
В устройствах слежения за линией стыка на вторично-эмисси¬
онном эффекте информационный сигнал на коллекторе отраженных
либо проникающих электронов получают при сканировании поверх¬
ности детали вблизи стыка пучком электронов. Устройства имеют,
как правило, два пучка. Один из них - считывающий - вырабатывает
информацию о положении линии стыка, которая используется для
последующего энергетического воздействия на стык с помощью вто¬
рого, рабочего пучка. При этом необходимо устранить влияние рабо¬
чего пучка на следящий пучок, поскольку процессы сварки и слеже¬
ния совмещены во времени. Разделив действие пучков во времени,
можно совместить в одном сварочном пучке как поисковые, так и
технологические функции. Для этого рабочий пучок периодиче¬
ски переводят в режим сканирования в непосредственной близости
от пятна нагрева.
Ниже рассмотрена система автоматической коррекции пучка элек¬
тронов относительно линии стыка, которая снабжена датчиком в виде
коллектора вторичных электронов, отраженных от металла и стыка
при периодическом сканировании участка перед зоной сварки.
Функциональная схема системы приведена на рис. 4.31. Генера¬
тор тактовых импульсов ГТИ задает частоту импульсов коррекции
и управляет формирователями продольного Ф1 и поперечного Ф2
сканирования. Совместное воздействие формирователей на откло¬
няющую систему ОС импульсами Ф1 и Ф2 (рис. 4.32, 6) позволяет
4.2. Системы автоматического слежения за линией стыка при ЭЛС
255
Рис. 4.31. Функциональная схема системы слежения с датчиком
вторичных электронов при ЭЛС
разворачивать электронный пучок по треугольному замкнутому кон-
гуру (рис. 4.32, а). Формирователи определяют полное время одного
сканирующего движения и, следовательно, относительное уменьше¬
ние тепловложения в зону сварки, так как во время сканирования
пучок электронов покидает стык. Формирователь импульса симме¬
трии ФИС создает фронт импульса симметрии ИС в момент измене¬
ния полярности тока в катушке ОС (см. рис. 4.32, б).
б
Рис. 4.32. К пояснению принципа работы датчика по схеме на рис. 4.31:
а - контур сканирования; б - временные диаграммы работы входного устройства
системы
256
Глава 4. Системы слежения за линией стыка при сварке
Положение импульса симметрии зафиксировано относитель¬
но контура сканирования и пучка электронов в зоне сварки. Таким
образом, по временному положению импульса симметрии мож¬
но судить о месте нахождения электронного пучка перед началом
сканирования.
Электронный датчик ЭД выполнен в виде изолированного
и экранированного металлического кольца, установленного под ОС
(см. рис. 4.31). На датчик подается отрицательный потенциал в не¬
сколько вольт для устранения влияния тепловых электронов малых
энергий. Отраженные электроны более высоких энергий преодо¬
левают потенциальный барьер и попадают на датчик. При пересе¬
чении пучком стыка во время сканирующего движения число от¬
раженных электронов, попадающих на датчик, резко уменьшается,
и в электронную часть системы слежения поступает положительный
импульс ЭД (см. рис. 4.32, б). Временное положение t2 последнего
относительно положения t] импульса симметрии является опреде¬
ляющим при установлении направления отклонения линии стыка
от пучка электронов.
Для исключения влияния изменения режима сварки и шири¬
ны зазора в стыке на временное положение импульса ЭД усили¬
тель-формирователь УФ формирует импульс, передний фронт кото¬
рого соответствует середине сигнала датчика. После этого импульс
ЭД (см. рис. 4.31) попадает в блок импульсной селекции БИС, про¬
пускающий импульс ЭД только во время наибольшей вероятности
его появления, когда сканирующий пучок движется поперек стыка
(наличие импульса развертки (см. рис. 4.32, б)) перед зоной сварки.
Это позволяет улучшить защиту системы от внешних импульсных
воздействий.
Блок выявления направления БВН отклонения линии стыка
(см. рис. 4.31) формирует положительный или отрицательный им¬
пульс в зависимости от направления ухода стыка и посылает этот
импульс в интегратор Иг. Последний суммирует поступающие раз¬
нополярные импульсы с помощью реверсивного счетчика и после
преобразования кода в аналоговую форму управляет током ОС.
Датчик обеспечивает стабильный сигнал при зазоре (или раз¬
делке), равном 0,3... 1,0 диаметра пучка электронов. При этом угол
разделки не имеет существенного значения, и его можно выбирать
по технологическим соображениям, но не более 45°. В ряде случаев
особенностью процесса сварки является необходимость перемещать
рабочий орган или деталь несколько раз по требуемой траектории
4.2. Системы автоматического слежения за линией стыка при ЭЛС
257
(многопроходная сварка). При этом линию стыка свариваемых де-
шлей трудно определить после наложения первого шва. Следует за¬
помнить первичную траекторию перемещения и выполнять после¬
дующие операции в соответствии с этой информацией.
Для решения указанных задач целесообразно использовать СП У
с предварительной записью программы.
4.2.3. Микрокомпьютерная система слежения за линией стыка
с датчиком вторичных электронов
При обработке параметров системы слежения с датчиком вто¬
ричных электронов пучку электронов в процессе сварки програм¬
мой от ЭВМ задают колебания по осям Хи У(рис. 4.33) относитель¬
но линии стыка разных траекторий и частоты. В следящем режиме
н и сигналы от ЭВМ подают на блок 1 отклонения пучка электронов
и электронно-лучевой установке. Амплитуду колебаний пучка изме¬
няют в пределах 0...2 мм, частоту колебаний-0,1...5 000 Гц.
На рисунке показана схема управления колебаниями луча 3, 4
и перемещением свариваемого изделия 5 в процессе ЭЛС. Датчик
вторичных электронов 2 состоит из двух взаимно изолированных
медных полуколец 2 диаметрами 160 и 40 мм, установленных над
изделием на расстоянии 100 мм. Блок 1 состоит из двух катушек
(</, d и Ь, с) с ферритовыми сердечниками. При максимальном токе
Рис. 4.33. Схема управления колебаниями пучка и перемещением свари¬
ваемого изделия при ЭЛС:
/ - блок отклонения пучка по осям X и Y в ЭЛУ; 2 - датчик (приемник) вторичных
электронов; 3 - сварочный пучок электронов; 4 ~ пучок электронов развертки; 5 -
изделие; 6 - шаговый двигатель
258
Глава 4. Системы слежения за линией стыка при сварке
АЛЛ/1/
з
2
1
Рис. 4.34. Осциллограмма тока вторич¬
ных электронов при сварке и измере¬
нии координат и параметров стыка:
1 - процесс сварки; 2 - сигнал от зазора
в стыке; 3 - процесс сканирования пучком
зоны стыка
в катушках пучок электронов можно отклонить от центра стыка
на 10 мм.
С шагом 0,5 мм при сварке пучку блоком / обеспечиваются сме¬
щение по оси X из зоны сварки и развертка по оси Y поперек стыка
с высокой скоростью перед сварочной ванной. Измеряют изменение
тока с датчика 2 над зазором между свариваемыми изделиями, ин¬
формация обрабатывается микрокомпьютером, записывается в па¬
мять и хранится как документ. ЭВМ вырабатывает сигналы управ¬
ления, которые подаются на привод перемещения рабочего стола
с шаговым двигателем 6 или на блок 1 таким образом, что фокальная
точка пучка электронов точно совпадает с центром стыка.
Рисунок 4.34 иллюстрирует осциллограмму тока /квэ с датчика
вторичных электронов при сварке и измерении координат и пара¬
метров стыка. Например, если vcb = 0,6 м/мин, то на каждом шаге
сварки, равном 50 мс, время зондирования стыка составляет 0,4 мс.
Такая временная развертка не влияет на качество сварки.
Диаграмма, поясняющая формирование сигнала стыка от датчи¬
ка вторичных электронов, представлена на рис. 4.35. Когда пучок
электронов при сканировании по оси Y попадает на стык, ток /квэ
Рис. 4.35. Диаграмма формирования сигнала стыка:
/ - ток развертки пучка в обмотке Ьс блока отклонения пучка по оси Y в ЭЛУ;
/квэ - форма тока с датчика вторичных электронов; UQ - напряжение порога на из¬
мерительной схеме; Uc - сигнал стыка на выходе измерительной схемы датчика
Зона
сканирования
стыка
4.2. Системы автоматического слежения за линией стыка при ЭЛС
259
нторичных электронов уменьшается. Сигнал усиливают и с помо¬
щью пороговой уставки UQ на формирователе получают импульс
стыка Uc прямоугольной формы. Передний Т{ и задний Т2 края им¬
пульса запоминает ЭВМ. Центр импульса определяет положение
центра стыка. Предполагают, что момент времени Т0, определяет
положение центра пучка электронов. Если время (Т + Г)/2, со-
ответствующее центру импульса стыка, совпадает с моментом Т0,
го центр пучка электронов совпадает с осью стыка. Если момент
цен гра импульса находится правее момента TQ9 то это означает, что
стык отклонен вправо относительно центра пучка электронов. Воз¬
можно левое отклонение стыка относительно пучка. Разность вре¬
мени определяет рассогласование положения стыка относительно
центра фокальной плоскости луча, т. е.
где К - коэффициент пропорциональности; TVT2- время прохожде¬
ния переднего и заднего фронта импульса стыка.
При сварке сигналы управления непрерывно подаются от ЭВМ,
что обеспечивает совмещение при сварке центра стыка с центром
пучка электронов через воздействие на рабочий стол со сваривае¬
мым изделием либо через воздействие на положение пучка через
блок отклонения ЭЛУ.
При отслеживании несимметричных стыков различной формы
(рис. 4.36, а) используется только правое полукольцо датчика вто¬
ричных электронов, а левое полукольцо заземляется (рис. 4.36, б).
Рис. 4.36. Типы стыков несимметричной формы:
а - отбортовка и тавровое соединение; б - разностенный стык; в - форма сигнала
стыка с датчика вторичных электронов: 1 - процесс сварки; 2 - сигнал на датчике
при сканировании пучком участка верхней кромки стыка; 3 - развертка сигнала
датчика в зоне несимметричного стыка
Д = КАТ = К
а
б
в
260
Глава 4. Системы слежения ла линией стыка при сварке
Правая кромка стыка изделия закрывает прием вторичных электро¬
нов датчиком (см. рис. 4.36, б), ток вторичных электронов на пра¬
вом полукольце датчика уменьшается (рис 4.36, в). При слежении
используют изменение формы тока датчика для определения по¬
ложения линии стыка. Для получения надежного сигнала при сле¬
жении превышение кромки одного листа относительно другого
(см. рис. 4.36, б) должно быть не менее 0,5 мм.
Приведенные на рис. 4.34-4.36 осциллограммы сигналов на вы¬
ходе датчика вторичных электронов были получены при ЭЛС на сты¬
ковых соединениях изделий из коррозионно-стойкой стали толщиной
8 = 3 мм с зазором 0,05.. .0,2 мм. Ускоряющее напряжение ЭЛУ равно
50 В, сварочный ток - 1.. .70 мА. Точность слежения за криволиней¬
ными симметричными и несимметричными стыками (см. рис. 4.36)
с применением описанной выше микропроцессорной системы с дат¬
чиком вторичных электронов составляла 0,10...0,15 мм.
Использование сигнала датчика вторичных электронов, про¬
шедших сквозь кратер в детали, позволяет решать задачи ведения
электронного пучка по стыку в процессе сварки разнородных ме¬
таллов (рис. 4.37). Основную часть схемы составляет датчик 7, ра¬
ботающий с использованием отмеченного Штейгервальдом явления
электронной эмиссии с обратной стороны сварного шва. Устройство
Рис. 4.37. Функциональная схема автоматического устройства для управ¬
ления процессом ЭЛС разнородных металлов
4.2. Системы автоматического слежения за линией стыка при ЭЛ С
261
применяют для сварки пучком электронов в вакууме медной пласти¬
ны 4(6 = 2 мм) со стальной деталью 3 (5 = 5 мм). Во избежание умень¬
шения площади сечения со стороны корня шва используют техноло¬
гическую подкладку 4. Диаметр пучка электронов равен 0,9 мм.
В процессе сварки 2/3 диаметра пучка электронов должны нахо¬
ди 1ься на меди, 1/3 - на стали. Заданным соотношением в рабочем
сварочном режиме при токе 30 мА обеспечивается ток эмиссии с об¬
ритой стороны шва 0,7 мА. Изменение этого значения при одних
и тех же параметрах режима сварки свидетельствует об уходе стыка
in-иод пучка электронов 1 как вследствие погрешностей обработки,
сборки и выставления соединяемых деталей на сварочном манипу¬
ляторе, так и в результате деформирования в процессе сварки. Если
при этом пучок смещается в сторону меди, то ток эмиссии становит¬
ся меньше 0,7 мА, если в сторону стали - ток превышает это значе¬
ние. Перед сваркой оператор устанавливает пучок 1 в нейтральное
положение (при сниженном значении тока пучка) путем кратковре¬
менных нажатий кнопки 10 и регулирования потенциометров R1
и R2, воздействуя на отклоняющую систему 2 электронной пушки.
Двигатель 9 в этот момент обесточен. Затем с помощью манипуля¬
тора стык подводится под пучок, начинается сварка.
В режим автоматики система переводится выключателем S при
достижении тока эмиссии 0,7 мА (визуальный контроль по прибо¬
ру). Сигнал с датчика 7 поступает в усилитель 5, который управля¬
ет работой релейного блока 6. Последний обеспечивает требуемую
коммутацию между двигателем 9 и источником напряжения U2 с по¬
лярностью, соответствующей знаку рассогласования сигнала на вы¬
ходе усилителя 5.
4.2.4. Телевизионные следящие системы
Среди бесконтактных способов получения информации о положе¬
нии сварочной ванны относительно линии стыка особое место занимает
телевизионный способ, очевидное преимущество которого - возмож¬
ность дистанционного наблюдения за зоной сварки в условиях более
комфортных, чем при непосредственном визуальном наблюдении.
Телевизионная автоматика позволяет реализовать автоматическое
слежение за положением центра сварочной ванны относительно ли¬
нии стыка свариваемых изделий при ЭЛ С в результате преобразования
видеосигнала в ток, управляющий отклонением пучка электронов.
Принцип построения телевизионных систем поясняет функцио¬
нальная схема, приведенная на рис. 4.38.
262
Глава 4. Системы слежения за линией стыка при сварке
Зона сварки 1 освещается источником света 2. Отраженная и из¬
лучаемая поверхностью зоны сварки световая энергия воспринима¬
ется телевизионным датчиком 3, состоящим из прибора визуально¬
го контроля 4 и передающей телевизионной камеры 5. Снижение
контрастности и яркости излучения между слоями холодного ме¬
талла зоны стыка и сварочной ванны до допустимых пределов, со¬
ответствующих динамическим возможностям передающей трубки,
в устройстве достигается с помощью уравнительного подсвечива¬
ния лампой накаливания 2'. В телевизионной камере 5 установлен
видикон ЛИ-415 с фокусирующе-отклоняющей системой ФОС-35
и предварительный видеоусилитель на транзисторах.
Телевизионный датчик 3 кабелем соединен с приемно-усилитель¬
ным устройством 6, в котором размещены отдельные блоки систе¬
мы. В устройстве 6 видеосигнал с телевизионного датчика поступа¬
ет на видеоконтрольный блок 7 и управляющий блок 8, в котором
из видеосигнала выделяются электрические импульсы, несущие ин¬
формацию о положении сварочной ванны и стыка, и вырабатывается
импульсный сигнал рассогласования, характеризующий их взаимное
положение. Этот сигнал в исполнительном блоке 9 преобразуется
в ток управления отклоняющей системы электронной пушки 10.
Рис. 4.38. Функциональная схема телевизионной системы слежения
за линией стыка
Контрольные вопросы
263
Блоки синхронизации 11 и развертки 12 обеспечивают получе¬
ние изображения зоны сварки путем ее построчного разложения
ни жране видеоконтрольного блока 7. Построчное разложение пре¬
рывается в двух местах кадра так называемыми информационны¬
ми строками. В это время скорость движения считывающего луча
на мишени видикона замедляется в 15-20 раз по сравнению со ско¬
ростью стандартного построчного телевизионного разложения. Ин¬
формационные строки размещены в растре так, что первая строка
передает изображение стыка в непосредственной близости от фрон¬
та сварочной ванны, а вторая - изображение середины ванны. Управ¬
ляющий блок 8 воспринимает видеосигнал только от информацион¬
ных строк.
Видеосигнал от стыка и сварочной ванны в управляющем бло¬
ке 8 обрабатывается по методу вычитания. На выходе блока 5 об¬
разуется импульс рассогласования, длительность которого пропор¬
циональна смещению между серединой стыка и центром сварочной
ванны, а полярность этого импульса показывает направление сме¬
щения. Импульс рассогласования поступает на вход блока 9, кото¬
рый состоит из усилителя и интегратора. Интегратор преобразует
импульсы рассогласования в постоянный ток, протекающий в ка¬
тушках отклоняющей системы 10 электронно-лучевой пушки.
В структуру системы входят также блоки имитации стыка 13
и контроля 14. Блок 13 предназначен для моделирования видеосигна¬
ла от зоны сварки, он используется при настройке системы слежения
до сварки. Блок 14 служит для выявления нарушений работы следя¬
щей системы и сигнализации об этом оператору в режимах автомати¬
ческого слежения при сварке, ручного наведения и проверки системы
с блоком имитации. Питание системы обеспечивается от блока 15.
Система слежения допускает превышение кромок стыка до 5 мм.
Допустимое отклонение стыка от среднего положения составляет
±12 мм на 1 м длины линии стыка. Продолжительность непрерыв¬
ной работы системы ограничивается сроком службы видикона и ви¬
деоконтрольного блока.
Контрольные вопросы
1. Сформулируйте требования к точности наведения источника нагрева
при разных способах сварки с учетом технологических особенностей фор¬
мирования шва (дуга, ЭЛС).
2. Перечислите составляющие суммарной ошибки в системах слеже¬
ния за линией стыка и охарактеризуйте их.
264
Глава 4. Системы слежения за линией стыка при сварке
3. Дайте характеристику следящих систем с копирными и контактны¬
ми датчиками прямого и непрямого действия. Когда целесообразно их при¬
менение при сварке?
4. Перечислите по принципу действия бесконтактные датчики, исполь¬
зуемые в следящих системах непрямого действия.
5. Приведите возможные варианты расположения бесконтактных дат¬
чиков относительно сварочной горелки и отобразите функциональные схе¬
мы следящих систем для этих вариантов.
6. Каковы принципы работы электромагнитных датчиков в следящих
системах? Приведите точностные, конструктивные и регулировочные ха¬
рактеристики датчиков.
7. Поясните принцип измерения параметров и положения стыка с ис¬
пользованием дуговых датчиков в следящих системах. Каковы особенно¬
сти технологии сварки, обеспечивающие возможность применения этих
датчиков в системах слежения?
8. Дайте характеристику и принципы измерения параметров и поло¬
жения стыка в пространстве в следящих системах с оптико-электронны¬
ми датчиками. Каковы конструктивные особенности оптических датчиков
и разновидности их чувствительных элементов?
9. Какие физические принципы используются при построении датчи¬
ков в системах слежения за линией стыка при ЭЛС?
10. Приведите функциональную схему и охарактеризуйте принципы
работы следящей системы с датчиком вторичных электронов при ЭЛС.
11. Каковы технологические возможности телевизионных следящих
систем при ЭЛС?
Глава 5
С истемы программного управления сварочными
процессами и оборудованием
5.1. Системы программного управления
процессами дуговой сварки
В системах программного управления входные сигналы являют¬
ся заданной функцией времени и изменяются по программе.
Программное управление дуговой сваркой неплавящимся
электродом. Наиболее простые программы управления сварочными
циклами реализуются при сварке неплавящимся электродом в среде
инертных газов. Программа работы этих устройств заложена жестко
уже на этапах разработки и изготовления оборудования. Какие-либо
ее изменения в процессе эксплуатации затруднены, поскольку это
связано с перестройкой электрической и кинематической схем сва¬
рочного оборудования.
Широкое распространение для описания программы работы
оборудования получили циклограммы. Циклограммы аналогичны
временным диаграммам и отличаются от последних лишь тем, что
их вычерчивают без соблюдения масштаба времени. Программу
работы можно представить также в виде схемы алгоритмов, графа
функционирования и другими способами. Ниже рассмотрены систе¬
мы программного управления циклами дуговой сварки, для описа¬
ния которых использованы наиболее распространенные на практике
способы представления алгоритма функционирования.
Циклограмма процесса сварки неплавящимся электродом с про¬
граммным управлением показана на рис. 5.1. После нажатия на кноп¬
ку «Пуск» включается реле времени, задающее длительность tnr
предварительной продувки газа, затем включается осциллятор и воз¬
буждается дуга, после чего запускаются реле времени: задержки ^рнд
включения регулятора напряжения дуги (РИД), задержки /зпр включе¬
ния привода подачи присадочной проволоки, задержки /з к включения
привода каретки. После отработки задержки включения РИД уста¬
навливает требуемое напряжение на дуге либо периодически изме¬
няет его (например, при импульсно-дуговой сварке). С момента tH п
266 Глава 5. Системы программного управления сварочными процессами и оборудованием
Рис. 5.1. Циклограмма работы устройства управления оборудованием для
сварки неплавящимся электродом
достижения установившегося значения скорости подачи vn начина¬
ется выполнение рабочего этапа программы (/ п), в течение которого
параметры /, С/д, vn, vk и расход защитного газа QAt в простейшем
случае не изменяются.
Окончание цикла сварки происходит по команде «Стоп» с пульта
или конечного выключателя. С этого момента начинается выполне¬
ние конечного этапа программы tKn. При этом запускается первый
программатор тока дуги и в течение времени 7пд ток дуги снижается
до значения / . Затем включаются второй программатор тока дуги
и программатор снижения скорости подачи присадочной проволоки.
Программатор тока дуги воздействует на РИД, который растягивает
5.1. Системы программного управления процессами дуговой сварки
267
дугу до естественного обрыва. Программатор привода подачи снача¬
ла снижает скорость подачи до нуля и отключает РНД. Затем привод
подачи реверсируется на время tp и проволока отводится от изделия.
11осле остановки каретки защитный газ в течение времени /зо обду¬
вает сварной шов и сварочный цикл завершается.
Для многих установок циклограмма процесса сварки оказыва¬
ется значительно сложнее. При этом целесообразно использовать
универсальные свободно программируемые устройства управле¬
ния. Применение таких устройств оправдано в установках для свар¬
ки неповоротных стыков толстостенных труб, когда в зависимости
от положения в пространстве сварочной головки и номера прохода
требуется изменить режим сварки, чтобы обеспечить формирова¬
ние шва.
Управление циклом при аргонодуговой сварке с помощью
кнопки на горелке может выполняться в двух режимах: 2-тактном
и 4-тактном (рис. 5.2). При 2-тактном режиме после нажатия и удер¬
жания кнопки последовательно выполняются этапы предваритель¬
ной подачи газа Цпг), зажигания дуги, нарастания тока (/ ) и не¬
посредственно сварки. Для завершения цикла кнопку отпускают,
и результате чего источник переходит к этапам снижения тока (/сниж)
и подачи газа (защитному обдуву) после сварки (/зо). Такой цикл
предпочтителен при формировании коротких швов. Четырехтакт¬
ный режим идет в следующем порядке: кратковременное нажатие
кнопки (длительностью до 1 с) приводит к автоматическому запу¬
ску системы подача газа до сварки, включению осциллятора, зажи¬
ганию дуги и выходу на рабочий режим сварки. При втором кратко¬
временном нажатии кнопки начинается снижение тока до режима
<1 с , <1 с , ,1с
| 4-тактный режим
Т F
| Кнопка
2-тактный режим
Кнопка
Газ
Ток
с
/
(Ч
^п.г
^м.п
^нар
^СНИЖ ^3.0
t
Рис. 5.2. Циклограмма аргонодуговой сварки
268 Глава 5. Системы программного управления сварочными процессами и оборудованием
дежурной малоамперной дуги, что позволяет без выключения дуги
переместиться на другой участок шва. Повторное кратковременное
нажатие кнопки приводит к выходу источника на режим сварки. Для
включения режима заварки кратера необходимо удерживать кнопку
на сварочной горелке более 1 с. Такой цикл рекомендуется при вы¬
полнении длинных швов.
Циклограмма может быть усложнена предварительной настрой¬
кой двух уровней тока 7д1, / , например при попеременной сварке
то в нижнем, то в вертикальном положении. Переход от одного ре¬
жима к другому осуществляется кратковременным нажатием кноп¬
ки на горелке.
Большинство инверторных источников питания для аргонодуго¬
вой сварки позволяют задавать циклограмму процесса сварки с по¬
мощью программатора, выведенного на переднюю панель источника
(рис. 5.3). Рассмотрим назначение и порядок пользования отдельны¬
ми клавишами и светодиодными индикаторами панели управления:
7 - выбор способа сварки (TIG, ММА);
2 - выбор модуляции тока (ток непрерывный или импульсный);
3 - выбор способа зажигания (HF - высокочастотным осцилля¬
тором, LiftArc - отрывом);
4 - выбор типа режима управления (2- или 4-тактный);
5 - выбор контролируемого при сварке параметра (ток, А; на¬
пряжение, V);
6- индикация напряжения сети;
7 - индикация пульта дистанционного управления;
8 - индикация перегрева;
9 - дисплей для указания значений настраиваемых величин пе¬
ред сваркой, а также напряжения и тока при сварке;
10- индикация единицы измерения настраиваемого или измеря¬
емого параметра (А - ампер, V - вольт, s - секунда);
11 - время подачи газа до сварки 0.. .5 с;
12 - время нарастания тока 0... 10 с;
13 - сварочный ток или ток импульса, А;
14 - время импульса, с;
75 - ток паузы, А;
16- время паузы, с;
17 - время снижения тока 0... 10 с;
18 - время защитного обдува газом после сварки 0.. .5 с;
19 - выбор настраиваемого параметра (77-75);
20 - запись режима в ячейку памяти;
5.1. Системы программного управления процессами дуговой сварки
269
9
10
22
Рис. 5.3. Стандартный пульт управления источником питания для сварки
неплавящимся электродом в среде инертных газов (Caddi Tig-150)
21 - считывание режима из памяти;
22 - регулирование настраиваемого параметра.
Имеются также скрытые функции, вызываемые на дисплей од¬
новременным длительным нажатием на обе клавиши 19. Например,
с их помощью можно настроить характеристики горячего пуска,
форсирования дуги или прерывистой сварки.
Программное управление сваркой плавящимся электродом
(сварка в защитном газе и под флюсом). Циклограмма работы бло¬
ка программного управления сварочным полуавтоматом, созданного
совместно ИЭО им. Е.О. Патона АН УССР и ВНИИЭСО и освоен¬
ного в серийном производстве, показана на рис. 5.4. Блок позволя¬
ет осуществить управление процессами сварки длинных, коротких
швов и сварки точками.
270 Глава 5. Системы программного управления сварочными процессами и оборудованием
Сварка длинных швов начинается после однократного нажатия
командной кнопки «Пуск» (рис. 5.4 а). При этом срабатывает кла¬
пан газоотсекателя и через 0,5 с (на временной оси циклограммы
это время не показано), включаются двигатель подачи электродной
проволоки и источник сварочного тока. При замыкании электрода
на свариваемый металл возбуждается дуга и начинается сварка, ко¬
торая продолжается до повторного нажатия кнопки на держателе го¬
релки. После этого останавливается двигатель подачи электродной
проволоки, происходит ее обгорание и дуга гаснет. С выдержкой
времени (и отключается источник сварочного тока, затем в течение
времени / осуществляется обдув кратера и разогретого металла шва
защитным газом.
Двигатель подачи
Источник
сварочного тока
Газ
Кнопка «Пуск»
й
Двигатель подачи
Источник
сварочного тока
Газ
Кнопка «Пуск»
1
1
1
>
*г
h ,. h _ Jз
Двигатель подачи
Источник
сварочного тока
Газ
Кнопка «Пуск»
р
г—*
1
1
J
1
ГГ
1
1
_ГГ
1
1
п
гл
.4
'и
t
в
Рис. 5.4. Циклограмма работы блока программного управления свароч¬
ным полуавтоматом в режимах:
а - сварка длинных швов; б - сварка коротких швов; в - сварка точками
5.2. Программное управление процессами контактной сварки
271
11одача электродной проволоки осуществляется в течение задан¬
ных интервалов времени, которые не зависят от длительности нажа¬
ты кнопки «Пуск». Программа завершения процесса сварки рабо¬
та автоматически после отключения двигателя.
При сварке коротких швов (рис. 5.4, б) кнопка на держателе го¬
релки остается нажатой, и программа завершения процесса сварки
начинается после ее отпускания.
В режиме сварки точками (рис. 5.4, в) двигатель подачи электрод¬
ной проволоки включается на определенное время, заданное опера-
юром с помощью переменного резистора, регулятор которого вы¬
веден на переднюю панель блока управления. Подача электродной
проволоки осуществляется в течение заданных интервалов вре¬
мени tv tv tv которые не зависят от длительности нажатия кнопки
«11уск». Завершение процесса сварки происходит автоматически по¬
сле отключения двигателя.
Программное управление циклом автоматической сварки плавя¬
щимся электродом обеспечивает цикл сварки в среде защитного газа
и следующих режимах:
1) автоматический режим, который предусматривает после на¬
жатия кнопки «Пуск» осуществление всего цикла сварки, начиная
с определенной исходной позиции без участия оператора;
2) полуавтоматический режим, при котором сварку можно вы¬
полнять, начиная с любой позиции по выбору оператора. При этом
режим сварки на отдельных участках шва может быть изменен;
3) наладочный режим, используемый для установочных движе¬
ний сварочного инструмента, а также при наладочных и ремонтных
работах. Источник сварочного тока в этом режиме отключен.
5.2. Программное управление процессами контактной
сварки
Системы программного управления точечной и шовной
сваркой. В контактной сварке наиболее распространены разом¬
кнутые системы программного управления и системы управления
по возмущению (системы компенсации).
Система программного управления СПУ состоит из следующих
основных компонентов (рис. 5.5): устройства для задания цикла
сварки, исполнительных устройств - тиристорного контактора ТК,
включающего трансформатор сварочной машины СМ, и привода
272 Глава 5. Системы программного управления сварочными процессами и оборудованием
Рис. 5.5 Структурная схема СПУ сварочной машины
подвижного электрода - привода сжатия ПС с аппаратурой управле¬
ния. Устройства для задания цикла сварки называют регуляторами
цикла сварки РЦС, или регуляторами времени, хотя, по существу,
они являются задатчиками тока и времени. В состав РЦС входят
блоки задания времени БЗВ, блоки задания тока БЗТ сварки и фа¬
зовращатель Ф. Воздействуя на ТК, РЦС обеспечивает включение
и выключение трансформатора СМ. Рассматриваемая система обе¬
спечивает жесткое программирование временных интервалов цикла
сварки, значений тока сварки, подогрева и отжига, а также управ¬
ление работой ПС машины. Основные преимущества разомкнутых
систем управления - простота и быстродействие применяемой в них
аппаратуры. Широкое распространение получили простейшие си¬
стемы с РЦС, обеспечивающим задание постоянных значений вре¬
мени и сварочного тока. Если необходима модуляция сварочного
тока, то применяют системы, позволяющие осуществить плавное
нарастание тока. Наиболее совершенные из разомкнутых СПУ по¬
зволяют изменять сварочный ток по программе, обеспечивающей
получение высококачественных соединений. В этих системах в ка¬
честве БЗТ используют программирующие устройства.
Тиристорные контакторы. В качестве управляемых венти¬
лей в контакторах, предназначенных для включения и отключения,
а также для изменения сварочного тока в контактных машинах, при¬
меняют тиристоры, которые имеют малое падение напряжения, не¬
большие массу и габариты, высокую надежность, значительный
срок службы.
Регулирование действующего значения сварочного тока через
контактор осуществляется смещением относительно напряжения
сети момента подачи импульса на управляющий электрод вентиля.
Особенностью работы контактора является потеря им управляемо¬
сти в каждом полупериоде с момента включения до момента, когда
5.2. Программное управление процессами контактной сварки
273
Рис. 5.6. Электрическая схема тиристорного контактора
гок проходит через нулевое значение. Электрическая схема тири¬
сторного контактора приведена на рис. 5.6.
Регуляторы времени цикла сварки. Они предназначены для за¬
дания временных интервалов сварочного цикла, плавного регулиро¬
вания сварочного тока, а также включения и выключения в заданные
моменты времени пневматических клапанов сварочной машины.
Основные элементы регуляторов: БЗВ, БЗТ и Ф.
После включения оператором-сварщиком педальной кнопки
1>ЗВ отрабатывает последовательность операций, заранее задан¬
ных с помощью соответствующих переключателей, расположенных
на передней панели регулятора.
По принципу задания временных интервалов регуляторы под¬
разделяют на аналоговые и цифровые. Аналоговые регуляторы для
отсчета временных интервалов используют заряд и разряд конден¬
саторов. Недостатки аналоговых регуляторов - нестабильность ра¬
боты и значительная погрешность задания временных интервалов.
Преимуществами аналоговых регуляторов являются их про¬
стота и высокая надежность. Цифровые регуляторы реализуются
на микропроцессорах и позволяют с высокой точностью задавать
и выдерживать любые значения временных интервалов. Однако вы¬
сокий уровень электромагнитных помех при работе сварочного обо¬
рудования требует специальных мер по защите микропроцессорных
систем от сбоев, что значительно повышает их стоимость. В связи
с этим применение цифровых регуляторов оправданно только в до¬
рогом специализированном оборудовании.
274 Глава 5. Системы программного управления сварочными процессами и оборудованием
I
1
Рис. 5.7. Фазовращатель:
а - схема, б - векторная диаграмма; УО - усилитель-ограничитель; ФИ - форми¬
рователь импульсов
В простейшем случае сила тока задается с помощью постоянно¬
го управляющего напряжения, подаваемого на вход фазовращателя.
В некоторых схемах БЗТ совмещен с фазовращателем, и задание то¬
ка осуществляется изменением сопротивления резистора, включен¬
ного в мостовую схему фазовращателя.
Для задания плавного нарастания и снижения тока применяют
модуляторы, принцип работы которых основан на заряде или раз¬
ряде конденсатора. На вход фазовращателя в этом случае подается
управляющее напряжение t/.np, изменяющееся по законам нараста¬
ния или уменьшения.
Фазовращатели простейшей конструкции выполняют по мосто¬
вой схеме (рис. 5.7) с регулированием фазы выходного напряжения
(f/R3, t/R1), изменяя активное сопротивление R2 (нагрев). Импульс¬
ные фазовращатели содержат генератор пилообразного напряжения
и узел сравнения (компаратор).
Регуляторы времени. Эти регуляторы позволяют задавать зна¬
чение и длительность трех независимых импульсов тока (подогрев,
сварка, отжиг), а также изменять по программе силу сжатия электро¬
дов. Электропневмоклапаны ЭПК и тиристоры силового контактора
включаются бесконтактными тиристорными или транзисторными
ключами. Регулятор снабжен фазовращателем, обеспечивающим
модуляцию и безынерционную стабилизацию сварочного тока.
Схема простейшего регулятора времени типа РВТ, обеспечиваю¬
щего задание четырех операций: сжатия, сварки, ковки, паузы, при¬
ведена на рис. 5.8.
5.2. Программное управление процессами контактной сварки
275
Рис. 5.8. Функциональная схема регулятора времени
На базе научно-исследовательского отдела специального кон¬
структорского бюро Псковского завода тяжелого электросварочно¬
го оборудования (ОАО «ПЗ ТЭСО») разработаны микропроцессор¬
ные регуляторы контактной сварки РКС-16, предназначенные для
управления циклом сварки сварочных машин переменного тока. Ре¬
гуляторы выполнены на базе однокристальных микроконтроллеров
типов PIC16F877A, 68HC908GP32, 68HC908AZ60. Эти регуляторы
обеспечивают:
• управление 8-позиционным циклом (сжатие 1, сжатие 2, моду¬
ляция, нагрев 1, пауза 1, нагрев 2, ковка 2, пауза 2);
• управление одним тиристорным контактором и двумя элек-
тропневматическими клапанами сжатия;
• дискретный отсчет и регулирование длительности позиций
сварочного цикла;
• регулирование сварочного тока в диапазоне 0,25... 1,00 полно¬
фазного значения;
• компенсацию изменения сварочного тока при колебаниях пи¬
сающего напряжения (-10...+5)% номинального значения.
Для управления циклом шовной сварки машин переменного тока
с обеспечением стабилизации сварочного тока, измеряемого датчи¬
ком тока типа «пояс Роговского», на ОАО «ПЗ ТЭСО» разработаны
регуляторы шовной сварки РШС01, РШС03). Регуляторы применя¬
ют в шовных сварочных машинах переменного тока при выполне¬
нии поперечных швов деталей больших размеров.
Микропроцессорные системы программного управления. В со¬
временных схемах управления контактной сварочной машины ис¬
пользуют быстродействующие контроллеры, выполненные на базе
276 Глава 5. Системы программного управления сварочными процессами и оборудованием
микропроцессоров. Контроллеры позволяют хранить в памяти не¬
сколько десятков программ режима сварки (включая последователь¬
ность и длительность операций), значения токов сварки, подогрева,
отжига, сварочной и ковочной силы сжатия и т. п. Требуемую про¬
грамму режима может вызвать оператор-сварщик, включая клавиши
терминала в зависимости от марки материала и толщины сваривае¬
мого изделия. Вызванная программа обрабатывается контроллером,
в результате обеспечивается заданный цикл сварки.
Системы программного управления процессом оплавления
при стыковой сварке. Наиболее распространенное направление ав¬
томатизации контактной стыковой сварки непрерывным оплавлени¬
ем - программирование основных параметров режима. На практике
управление процессом оплавления ограничено возможностями изме¬
нения по заданной программе скорости перемещения плиты машины
или вторичного напряжения. Указанные параметры могут изменять¬
ся одновременно в функции времени или пути перемещения под¬
вижной плиты. Программирование по перемещению целесообразно
в тех случаях, когда необходимо выдерживать точно заданные разме¬
ры свариваемых изделий, например при производстве сварных колец
из чистовых профилей. Возможные варианты построения СПУ по¬
казаны на рис. 5.9.
Наибольшее применение получили разомкнутые СПУ скоро¬
стью перемещения подвижной плиты машины. Программа переме¬
щения задается степенной зависимостью
L =аГ9
где Lu - перемещение подвижной плиты при оплавлении, мм; а, п -
коэффициенты, которые определяются теплофизическими свойства¬
ми металла и выбираются в зависимости от конечной скорости vn пе¬
ремещения и припуска Допл деталей; / -длительность оплавления, с.
Рис. 5.9 Классификация СПУ процессом оплавления
5.2. Программное управление процессами контактной сварки
277
Наиболее точное воспроизведение заданной программы скоро¬
сти обеспечивается в машинах, снабженных следящим гидроприво¬
дом, т.е. гидроприводом с обратной связью по перемещению. Схе¬
ма следящего гидропривода, используемого в стыковых машинах
К190П, К355 и других типов, приведена на рис. 5.10. Обратная связь
и приводе осуществляется золотником 4, в корпусе которого выпол¬
нены пять цилиндрических выточек, соединяющихся штуцерами
с гидросистемой машины.
Центральная выточка соединена с линией нагнетания, две край¬
ние - со сливной линией. Выточка Б соединена с правой полостью
I идроцилиндра 2 перемещения подвижной станины (плиты) 7, вы¬
гонка Л - с левой полостью. В нейтральном положении шток 3 ра¬
бочими поясками перекрывает обе выточки, поэтому доступ масла
и полости гидроцилиндра перемещения перекрыт и подвижная ста¬
нина машины находится в покое. Масло подается в полости гидро¬
цилиндра подвижной станины только при смещении штока вправо
или влево от нейтрального положения. В стыковых рельсосвароч¬
ных машинах шток золотника перемещается с помощью винта ре¬
дуктора, установленного на неподвижной станине 6. Одноступенча¬
тый червячный редуктор 5 приводится во вращение управляющим
двигателем малой мощности 30...70 Вт. Шток золотника копирует
перемещения винта. Во время смещения штока влево от нейтраль¬
ного положения открывается доступ масла в левую полость гидро¬
цилиндра, а правая соединяется со сливом. В этом случае подвиж¬
ная станина, а вместе с ней и корпус золотника начинают двигаться
Рис. 5.10. Схема следящего гидропривода
278 Глава 5. Системы программного управления сварочными процессами и оборудованием
влево. Если приостановить движение штока золотника влево (вы¬
ключить двигатель), то корпус золотника будет перемещаться влево
до тех пор, пока пояски штока не перекроют выточки Aw Б, доступ
масла в полость гидроцилиндра и перемещения станины прекратят¬
ся. При этом станина проходит расстояние, на которое был сдви¬
нут шток от нейтрального положения. При непрерывном движении
штока золотника станина машины и установленный в ней корпус
золотника непрерывно движутся вслед за штоком, отслеживая все
его перемещения.
Несмотря на непрерывное совершенствование способов и ап¬
паратуры для задания программы, применение разомкнутых СПУ
не обеспечивает гарантированного качества сварных соединений
при действии на процесс различных возмущений. В таких системах
управляющее воздействие не зависит от непрерывно изменяющихся
в процессе производства условий сварки. Лучшие результаты дает
применение СПУ с корректирующими обратными связями по па¬
раметрам сварочного процесса (напряжению, току, пульсациям то¬
ка). Корректоры скорости оплавления с обратной связью по напря¬
жению применяют в стыковых машинах типа МС 2001, ЦСТ 200М
и др. В качестве чувствительного элемента в системе использует¬
ся реле напряжения, подключенное к зажимным губкам машины.
При устойчивом оплавлении действующее значение напряжения
на свариваемых деталях мало отличается от напряжения холосто¬
го хода сварочного трансформатора и реле остается включенным.
При коротком замыкании напряжение резко снижается и становится
недостаточным для удержания сердечника реле, которое переключа¬
ет приводной двигатель на реверс.
Коррекция скорости по напряжению не предотвращает переход
оплавления в режим короткого замыкания, а только ограничивает
его продолжительность. Более совершенным является корректор
скорости оплавления с обратной связью по сварочному току.
5.3. Программное управление процессом
электронно-лучевой сварки
В промышленных установках для ЭЛС применяют аппаратуру,
обеспечивающую возможность сварки металлов переменной тол¬
щины и программирование параметров пучка электронов, скорости
сварки при выполнении ряда последовательных операций.
5.3. Программное управление процессом электронно-лучевой сварки
279
Для очистки соединяемых кромок от оксидных пленок, влаги,
следов травителей и растворителей перед сваркой целесообраз¬
но облучать кромки пучком электронов при параметрах режимов,
меньших номинальных. После сварки стыка (на номинальном рабо¬
чем режиме) обычно осуществляют так называемую косметическую
обработку шва несколько расфокусированным пучком электронов
для устранения подрезов, чрезмерной выпуклости (усиления) шва
и др. Применяют предварительный и последующий подогревы кро¬
мок. В серийном производстве однотипных изделий программиро¬
вание режимов электронно-лучевой пушки при выполнении после¬
довательных операций оказывается экономически оправданным,
гак как повышает производительность процесса и сокращает долю
брака. Установка режимов вручную нежелательна, а, например, при
сварке с присадочной проволокой трудноосуществима - операто¬
ру необходимо в строгой последовательности включить электрон¬
но-лучевую пушку, перемещение детали и подачу присадочной про¬
волоки, одновременно задав параметры процесса.
Следует отметить и то, что основные параметры процесса,
и в первую очередь ток магнитной линзы, необходимо устанавли¬
вать с большей точностью, чем это могут позволить контролирую¬
щие приборы на пульте оператора.
Устройство и принцип построения систем программирования
последовательных операций при ЭЛС рассмотрим на примере ра¬
боты системы для выполнения кольцевых швов на телах вращения.
)га СПУ дает возможность с высокой точностью задавать параме¬
тры, определяющие режим сварки, и воспроизводить любой из ре¬
жимов, не прибегая к дополнительным измерениям, устанавливать
несколько режимов и выбирать любой из них с помощью переклю¬
чателя, автоматически выполнять операции по включению и выклю¬
чению сварочного оборудования.
Предусмотрена работа системы в ручном Р и автоматическом А
режимах (рис. 5.11). При работе в автоматическом режиме по задан¬
ной программе все ручные регулировки отключаются. Функцио¬
нальная схема системы программирования состоит из стабилизиро¬
ванного выпрямителя ускоряющего напряжения /, высоковольтного
трансформатора с выпрямителем 4 и стабилизатором напряжения 2,
блока электронного нагрева катода 5, блока управления током пуч¬
ка 17 с высокочастотным трансформатором 16 и выпрямителем 15
с фильтром 14, блоков питания 72, 13 фокусирующей и отклоня¬
ющей систем пушки, блока набора программ 10 с устройствами
280 Глава 5. Системы программного управления сварочными процессами и оборудованием
3 х 380 В
Рис. 5.11. Функциональная схема системы программирования режи¬
мов ЭЛС
управления 9, блока переключения программ S, автомата повторно¬
го включения АПВ 3, счетчика 11 частоты вращения, свариваемой
детали 6 и коллектора электронов 7.
Блок АПВ используют для снижения ускоряющего напряже¬
ния UycK при развитии пробоя в электронно-лучевой пушке, а также
при тренировке прожектора пушки, когда на электроды пушки мно¬
гократно подается максимальное значение С/ск. Применение АПВ
позволяет без участия оператора выполнять тренировку пушки, при
этом ее время значительно сокращается.
Для регулирования и стабилизации тока пучка, выполнения
сварки в импульсном режиме, а также плавного уменьшения то¬
ка при прекращении сварки используют высокочастотный блок 17
(/~ 100 кГц) управления пучком электронов.
Электронный стабилизатор тока поддерживает сварочный ток
в пределах ±5 % заданного значения и работает в непрерывном и им¬
пульсном (5...200 имп./с) режимах. Коэффициент заполнения им¬
пульсов регулируется в пределах 0,1.. .0,9.
5.3. Программное управление процессом электронно-лучевой сварки
281
По окончании сварки с помощью блока 17 и блоков програм¬
мы 8-10 обеспечивается автоматическое снижение тока пучка (вы¬
вод кратера). Продолжительность полного вывода тока регулирует¬
ся в пределах 1...10 с.
При полном проплавлении металла электроны пучка проходят
через нижнее отверстие в кратере. Если можно разместить под швом
изолированный от детали электрод-коллектор, то попадающие
на него электроны создадут ток /к в цепи коллектор - земля. Сила
этого тока зависит от режима сварки и обусловливает формирование
корня шва при проплавлении металлов. Такое устройство позволяет
в автоматическом режиме без специального программирования тока
мучка /п обеспечить качественную сварку деталей с переменной тол¬
щиной соединяемых кромок.
Блок питания 13 магнитной фокусирующей линзы электрон¬
но-лучевой пушки обеспечивает условия оптимальной фокусировки
пучка при изменении ускоряющего напряжения с помощью обрат¬
ной связи, снимаемой с делителя Rl, R2, R3 на выходе выпрямителя
ускоряющего напряжения.
В стабилизаторе ускоряющего напряжения в качестве исполни¬
тельного устройства используют тиристорный или инверторный уси¬
литель 1. Диапазон стабилизированного напряжения - 22...30 кВ.
Стабильность ускоряющего напряжения в среднем составляет
0,5... 1,0%. Время переходного процесса стабилизатора ускоряю¬
щего напряжения при скачкообразном изменении напряжения сети
на 10% равно 0,05 и 0,15 с при /п = 200 мА и 450 мА соответственно.
Блок набора программы 10 позволяет задать одновременно
10 различных режимов: по ускоряющему напряжению 22...30 кВ
с шагом 1 кВ, по току пучка электронов 10...450 мА с дискретно¬
стью 1, 2, 5 и 10 мА, по току магнитной линзы 35...200 мА через
0,5 мА, частоту вращения детали 1.. .9 мин-1.
К программируемым объектам блок 10 подключается посред¬
ством блока 8. Каждой программе соответствует свое положение
переключателя.
Последовательность реализации программы на схеме такова.
Включается питание установки. Через несколько секунд ток магнит¬
ных линз принимает заданное программой значение. В этот момент
ускоряющее напряжение и ток пучка равны нулю независимо от уста¬
новленных в блоке программ значений. При выработке команды «Пуск
ускоряющего напряжения» в течение 5.. .6 с напряжение плавно нарас¬
тает от нуля до запрограммированного значения. Подается разрешение
282 Глава 5. Системы программного управления сварочными процессами и оборудованием
на выработку команды «Пуск тока пучка». Время нарастания тока пуч¬
ка от нуля до запрограммированного значения может изменяться в пре¬
делах 0,1... 10,0 с. По окончании перечисленных операций подается
разрешение на включение счетчика частоты вращения свариваемой де¬
тали. До этого момента счетчик не работает, хотя деталь и вращается.
Когда деталь совершит запрограммированное число оборотов,
в схеме блока управления 9 вырабатывается сигнал об окончании
сварки. С блока переключения программ 8 сигнал поступает в блок
выключения тока пучка и через цепи задержки подается на выклю¬
чение ускоряющего напряжения. После этого набирается новая про¬
грамма, показания счетчика устанавливаются на нуль, и система го¬
това к очередному включению.
В технике ЭЛС широко применяют программированное управ¬
ление положением сварочного пучка электронов относительно сва¬
риваемых кромок или обрабатываемой поверхности. Такие системы
позволяют осуществить «расщепление» пучка электронов с помо¬
щью отклоняющей системы на несколько пучков, которые могут
выполнять различные операции: одновременное формирование не¬
скольких швов, сопутствующую, предшествующую или последую¬
щую термообработку сварного шва и т. д.
При сварке деталей круглой формы (вварка труб в трубные до¬
ски) применяют круговую развертку пучка электронов с помощью
специальных схем управления отклоняющей системой. При необ¬
ходимости перемещения пучка по сложному контуру используют
системы цифрового программного управления положением свари¬
ваемой детали и пучка.
Ниже рассмотрен пример автоматизации управления ЭЛУ при
сварке трубных досок теплообменников.
Исходя из конструктивного решения механического комплекса
сварочной установки (пушка крепится на каретке, которая движет¬
ся в двухкоординатной плоскости), при вварке труб в трубные до¬
ски необходимо автоматизировать следующие основные операции:
вывод пушки на позицию сварки, перемещение пучка электронов
по круговой траектории, совмещение пучка со стыком сварного со¬
единения, регулирование энергетических параметров пучка.
Автоматизацию указанных операций можно реализовать си¬
стемой программного управления ЭЛУ (рис. 5.12). Исходная ин¬
формация через устройство ввода УВ подается на распределитель
информации РИ. В соответствии с заданной последовательностью
выполнения операций РИ подключает к УВ устройство перемещения
5.3. Программное управление процессом электронно-лучевой сварки
283
Рис. 5.12. Функциональная схема СПУ
для сварки труб с трубными досками
мушки УПП, устройство совмещения пучка УСП со стыком, блок
перемещения пучка БПП по круговой траектории. Блок управления
энергетическими параметрами пучка БУП остается подключенным
но время всего цикла, так как регулирует в процессе работы ускоря¬
ющее напряжение, ток пучка и фокусировки.
Блок измерения и регистрации БИР технологических параме¬
тров подключается только во время сварки. На диаграммную ленту
многоканального самописца этого блока записываются энергети¬
ческие параметры пучка. В дальнейшем диаграммную ленту с за¬
писью параметров технологического режима можно использовать
в качестве паспорта на каждую свариваемую деталь.
Для перемещения пушки внутри камеры ЭЛУ, а также для фор¬
мирования технологических команд управления в автоматизирован¬
ной системе можно применять стандартное электронное устройство
типа «Координата». В составе СПУ такое устройство обеспечивает
управление приводами перемещения сварочной пушки по двум ко¬
ординатам в соответствии с программой.
Однако на практике не удается обеспечить достаточное совпа¬
дение значений запрограммированных координат и координат от¬
верстий реальной детали. Такое несоответствие объясняется су¬
ществующим допуском на размеры межцентровых расстояний
отверстий в трубной доске, а также трудностями точной ориента¬
ции теплообменника в координатной плоскости. После перемеще¬
ния пушки на позицию сварки и точного совмещения пучка элек¬
тронов с кольцевым стыком детали для коррекции ее положения
применяют устройство совмещения пучка и блока перемещения
пучка (рис. 5.13). В режиме совмещения пучок 4 сварочной пуш¬
ки с мощностью, недостаточной для оплавления стыкуемых кро¬
мок при перемещении по контуру сварки, сканирует область сты¬
куемых кромок детали 2. Синхронно с пучком пушки перемещается
284 Глава 5. Системы программного управления сварочными процессами и оборудованием
Рис. 5.13. Функциональная схема устройства совмещения
пучка электронов со стыком
луч индикатора 7 видеоконтрольного устройства ВКУ, засвечивая
на экране зону 6, площадь которой пропорциональна площади зо¬
ны сканирования. Пучок электронов пушки и луч индикатора пере¬
мещаются по круговому контуру от блока БПГ1. Сигналы развертки
с блока БПП через блоки суммирования БС и согласующие усилите¬
ли СУ поступают на отклоняющие системы 5, 8 пушки и индикато¬
ра. Для сканирования по круговой траектории генератор локальной
развертки ГЛР подключается к БС. В них происходит суммирование
локальных напряжений ГЛР с сигналами развертки БПП.
При локальном сканировании пучком поверхности детали воз¬
никает вторично эмиссионный поток электронов /. Он улавливается
коллектором 3 в моменты пересечения пучком пушки стыка детали.
В цепи коллектора возникают импульсные сигналы, параметры ко¬
торых зависят от зазора и конструкции стыкуемых кромок.
Вторично-эмиссионные сигналы с коллектора 3 подаются в блок
формирования БФ, где они преобразуются в стандартные импульс-от¬
метки, нормированные по длительности и амплитуде. Импульс-отмет¬
ки поступают на управляющий электрод УЭ индикатора 7, модулируя
его луч. Модуляцией луча по яркости добиваются на экране четкого
изображения кольцевого стыка в увеличенном масштабе. По положе¬
нию изображения стыка относительно зоны сканирования оператор
оценивает точность совмещения. При рассогласовании коррекция
выполняется блоком коррекции БК путем введения в отклоняющие
5.4. Программное управление траекторией движения сварочной головки...
285
системы пушки и индикатора постоянных составляющих, при этом
погрешность совмещения по всему периметру кольцевого стыка
не превышает 1/3 диаметра технологического пучка пушки.
После совмещения пучка электронов со стыком система пере¬
ключается в режим сварки, ГЛР отключается от БС. На отклоняющие
системы пушки и индикатора подаются сигналы развертки из БПП,
просуммированные с сигналами коррекции БК, под воздействием ко¬
торых пучок электронов перемещается по кольцевому стыку детали.
В установках для ЭЛС в БПП используются два способа круговой
развертки пучка электронов: первый основан на механическом вра¬
щении отклоняющей системы вокруг оптической оси пушки (более
простой, но менее точный), второй - на использовании электронной
системы круговой развертки. Круговая развертка пучка электронов
осуществляется путем подачи в четырехполосную отклоняющую
электромагнитную систему пушки от генератора двух синусоидаль¬
ных напряжений, сдвинутых по фазе одно относительно другого
на 90°. При использовании в этом случае двух раздельных отклоня¬
ющих систем, смещенных по высоте, удается обеспечить даже парал¬
лельный перенос пучка, что улучшает форму проплавления стыка.
5.4. Программное управление траекторией
движения сварочной головки по линии стыка
Системы программного управления положением или позицион¬
ного программного управления (ППУ) обеспечивают управление
последовательными положениями изделия и (или) сварочного ра¬
бочего органа. Системы программного управления движением или
контурного программного управления (КПУ) обеспечивают одно¬
временное согласованное перемещение детали и (или) сварочного
рабочего органа в двух и более координатах по любой сложной тра¬
ектории с заданной скоростью.
Системы КПУ сложнее, чем ППУ, так как в последних траек¬
тория и скорость перемещения из любого положения в последую¬
щее могут быть произвольными и не влияют на сварочный процесс.
В то же время системы КПУ более универсальны и их можно при¬
менять также для управления положением.
Для реализации программного управления траекторией движе¬
ния сварной головки применяют систе\ы с числовым программным
управлением (ЧПУ).
286 Глава 5. Системы программного управления сварочными процессами и оборудованием
Методы программирования систем ЧПУ для сварочных
установок. Существуют три основных способа разработки управ¬
ляющих программ: ручное программирование (Manual Programming
Techniques), программирование на стойке ЧПУ (Shop-Floor) и про¬
граммирование с помощью САМ-систем.
Ручное программирование. Написание программы осуществля¬
ется на специализированном языке. В этом случае последователь¬
но описываются все необходимые перемещения сварочной головки.
Задаются координаты и режимы перемещения на каждом участке.
Ручное программирование применяют при написании простых про¬
грамм или при редактировании программ, написанных другими
способами.
Программирование на пульте системы ЧПУ. Программы созда¬
ют и вводят непосредственно на стойке системы ЧПУ, используя кла¬
виатуру, дисплей, а также систему графических пиктограмм и меню.
Программист может проверить работу управляющей программы пу¬
тем графической имитации обработки на экране стойки. Системы
диалого-графического проектирования существенно различаются
между собой. В большинстве случаев любая из них является одно¬
целевой системой, предназначенной для автоматизации программи¬
рования конкретного процесса обработки на определенном обору¬
довании. Некоторые модели, рассчитанные только на ручной ввод
управляющей программы (особенно уже снятые с производства),
не могут обеспечить удаленное программирование с помощью
CAM-системы. Последние современные модели могут работать как
в диалоговом режиме, так и с использованием устройств для ввода
кодов, сгенерированных другими САМ-системами.
Программирование с помощью САМ-систем. Эти системы по¬
зволяют поднять программирование для станков с ЧПУ на более
высокий уровень по сравнению с рутинным ручным программи¬
рованием. CAM-системы облегчают труд технолога-программиста
в трех главных направлениях:
1) избавляют от необходимости делать математические вычис¬
ления вручную;
2) позволяют создавать на одном базовом языке управляющие
программы для различного оборудования с ЧПУ;
3) обеспечивают типовыми функциями, автоматизирующими ту
или иную обработку.
Для использования CAM-системы технолог-программист приме¬
няет персональный компьютер или рабочую станцию. Компьютерная
Контрольные вопросы
287
программа автоматически генерирует управляющую программу
но чертежу детали. Затем управляющая программа передается тем
или иным способом в память станка с ЧГТУ.
CAM-системы можно подразделить на две категории - с языко¬
вым и графическим способом ввода информации. Используя первые,
технолог программист обязан использовать язык программирова¬
ния, подобный языкам BASIC или С. Эти системы требуют програм¬
мирования, и некоторые из CAM-систем в силу этого весьма сложны
для освоения. В графических CAM-системах каждый шаг обработки
задается интерактивно в графическом режиме. Технолог-програм¬
мист имеет зрительную обратную связь при выполнении каждого
шага задачи программирования. Поэтому в общем случае такие си¬
стемы более просты в изучении и работе.
Исполнительные приводы систем с ЧПУ выполнены на шаговых
и серводвигателях с цифровой схемой управления с применением
быстродействующих микропроцессоров. Примером этих разработок
являются: универсальная сварочная головка модульной конструкции
для сварки под флюсом строительных конструкций A6S Arc Master
фирмы ESAB, установка для механизированной и роботизирован¬
ной сварки на базе мультисистемы КМ-50 фирмы Kemppi, машины
для плазменной резки «Кристалл» с ЧПУ производственно коммер¬
ческой фирмы «Кристалл» (г. Санкт-Петербург) и разработки ряда
известных фирм Германии, Австрии и США.
Контрольные вопросы
1. Каковы способы представления программ работы сварочного обору¬
дования при различных способах сварки (дуговая, контактная, ЭЛС)?
2. Приведите программу управления (циклограмму) сварочным обору¬
дованием при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом.
3. Дайте пример построения индикаторной панели на лицевой сторо¬
не инверторных источников питания, рассмотрите назначение и порядок
пользования отдельными клавишами и светодиодными индикаторами при
задании циклограммы процесса сварки.
4. Приведите циклограммы работы сварочными полуавтоматами для
сварки плавящимся электродом в защитном газе длинных и коротких швов
и сварки точками. Укажите возможные режимы работы сварочных полуав¬
томатов с программным управлением.
5. Перечислите основные компоненты СПУ точечной и шовной сварки.
Охарактеризуйте их технологическое назначение в полном цикле сварки.
6. Укажите основные параметры режима, изменяемые по программе при
контактной стыковой сварке непрерывным оплавлением. Охарактеризуйте
288 Глава 5. Системы программного управления сварочными процессами и оборудованием
технологические возможности разомкнутых и замкнутых СПУ процессом
контактной сварки.
7. Приведите циклограмму работы ЭЛУ в автоматическом режиме,
Опишите устройство и принцип построения систем программирования
при ЭЛС кольцевых стыков тел вращения.
8. Дайте характеристику систем программирования траектории движе¬
ния сварочной головки по линии стыка с позиционным и контурным управ¬
лением. Приведите примеры их применения.
9. Опишите специфику работы систем цифрового программного управ¬
ления в режимах подготовки и отработки программ.
10. Перечислите основные методы программирования систем ЧПУ для
сварочных установок и дайте характеристику их технологических возмож¬
ностей при решении задач программирования.
Глава 6
Автоматизированные системы управления
технологическим процессом сварки
6.1. Структуры АСУ ТП
Этот класс систем управления предполагает наличие микрокон¬
троллеров или ЭВМ в контуре управления, а также участие челове-
ка-оператора в управлении технологическим процессом.
В автоматизированных системах автоматического управления
технологическим процессом (АСУ ТП) можно выделить структуры
с центральным, децентрализованным и комбинированным управ¬
лением. В системах с центральным управлением задача обработки
сигналов для формирования управляющих воздействий решается
центральным цифровым управляющим устройством, соединенным
многими каналами связи с объектом (объектами) управления.
Общая структурная схема для этого случая показана на рис. 6.1.
()на содержит объект (объекты) управления ОУ, цифровое управля¬
ющее устройство ЦУУ, ряд входных аналого-цифровых преобразо¬
вателей АЦП и выходные цифроаналоговые преобразователи ЦАП,
соединенные с исполнительными устройствами ИУ. Если осущест¬
вляется управление сложным многомерным объектом, например
Рис. 6.1. Структура АСУ ТП с центральным управлением
290
Глава 6. АСУ ТП сварки
Рис. 6.2. Структура микропроцессорной САУ группой несвязанных объ¬
ектов
роботом, то такая АСУ ТП является связанной. Если же решается за¬
дача управления совокупностью независимых по управляемым па¬
раметрам одномерных объектов, то система считается несвязанной.
В этом случае АСУ ТП представляется в виде совокупности одно¬
контурных САУ (рис. 6.2), каждая из которых имеет свою програм¬
му управления ПУ1 - YlYk объектами ОУ1 - ОУк. При управлении
объектом от центрального устройства управления ЦУУ оно обслу¬
живает по очереди отдельные каналы управления. Эта очередность
может осуществляться по жесткой программе или по мере посту¬
пления заявок от отдельных каналов с возможностью использования
приоритетного обслуживания.
В каждый контур управления АСУ ТП с децентрализованным
управлением включается автономное ЦУУ
Я\
Як
Рис. 6.3. Структура АСУ ТП с децентрализованным управлением
6.2. АСУ ТП дуговой сварки неплавящимся электродом
291
Структурная схема АСУ ТП с децентрализованным управлением
показана на рис. 6.3, где автономные устройства управления каналами
связи с ОУ обозначены МК1 - МКк. В качестве МК обычно приме¬
няют программируемый микроконтроллер. Обычно МК размещают
в непосредственной близости от ОУ или встраивают его в ОУ. Функ¬
ционально МК ориентированы на решение конкретных задач.
Если в децентрализованную систему с автономными ЦУУ до¬
полнительно вводится ЦУУ, выполняющее функции диспетчера,
то реализуется комбинированное управление.
Выбор принципа управления (централизованое, децентрализо¬
ванное, комбинированное) в АСУ ТП зависит от многих взаимо¬
связанных факторов, важнейшими из которых являются стоимость
и надежность систем, их живучесть, гибкость, способность работать
в масштабе реального времени.
6.2. АСУ ТП дуговой сварки неплавящимся электродом
6.2.1. АСУ ТП однопроходной дуговой сварки труб
из аустенитных сталей
Характеристика объекта управления. Качество сварного со¬
единения труб обусловливается его механическими и коррозионными
свойствами, зависящими от геометрических размеров и формы свар¬
ного шва. Стабилизация геометрических размеров шва способствует
повышению качества сварного соединения. Однако не во всех случаях
это условие можно считать единственным критерием качества. На¬
пример, при сварке материалов, склонных к закаливанию или к обра¬
зованию горячих или холодных трещин, важным фактором является
также под держание заданного термического цикла в процессе сварки,
обеспечивающего необходимую скорость охлаждения металла. Толь¬
ко при этом условии можно получить требуемую структуру сварного
шва и околошовной зоны.
Заданные термический цикл и геометрические размеры шва
можно считать обобщенным критерием качества. Закон их измене¬
ния связан с погонной энергией дуги qэ, выражаемой соотношением
V V
где г|э - КПД, характеризующий отношение теплоты, введенной
м шов, к общей теплоте, выделенной сварочной дугой.
292
Iлава 6. АСУ ТП сварки
В свою очередь, закон регулирования QJvcn зависит от типа воз¬
мущений, действующих на систему источник питания - дуга - сва¬
рочная ванна.
В простейших системах, отрабатывающих технологические возму¬
щения, действующие только на питающую систему и дугу, для полу¬
чения качественного сварного соединения достаточно обеспечить ус¬
ловие = const за счет стабилизации электрических параметров дуги.
Более сложный закон изменения для получения качественного
сварного соединения требуется при появлении в сварочном контуре
технологических и конструктивных возмущений, действующих не¬
посредственно на сварочную ванну (шов). Влияние этих возмуще¬
ний на качество сварного соединения не может быть компенсиро¬
вано с помощью систем автоматической стабилизации параметров
режима сварки. Их влияние условно можно оценить эквивалентным
изменением коэффициента г^, характеризующим изменение усло¬
вия тепловложения в свариваемый материал.
Измерение конструктивных и технологических возмущений свя¬
зано со значительными трудностями вследствие их относительной
рассредоточенности и удаленности от стыка. Частично устранить
влияние конструктивных возмущений можно путем их измерения
и записи с помощью специального датчика в период холостого про¬
хода стыка и затем коррекции в процессе сварки параметров режима
по записанной программе. Однако в результате теплового деформи¬
рования детали в процессе сварки такая программа часто малоэффек¬
тивна. Поэтому наиболее приемлемым способом является введение
в систему регулирования обратной связи по некоторому обобщенно¬
му параметру, на который в процессе сварки влияют как конструк¬
тивные, так и технологические возмущения. В качестве такого па¬
раметра можно принять температуру металла сварочной ванны или
околошовной зоны. Температуру можно регулировать изменением
погонной энергии в системе источник питания - дуга - сварочная
ванна. Задача регулирования при этом сводится к стабилизации под¬
вижного температурного поля. С позиций теории автоматического
регулирования температурное поле как объект регулирования опи¬
сывается апериодическим звеном. Постоянная времени этого зве¬
на определяется параметрами свариваемого материала (теплоем¬
костью, теплопроводностью и т.д.). Температуру можно измерить
лишь на некотором расстоянии от сварочной дуги, что обусловлива¬
ет появление погрешностей измерения относительно реальной тем¬
пературы под дугой и запаздывание в передаче сигнала управления.
6.2. АСУ ТП дуговой сварки неплавЯЩимся электродом
293
Для измерения температуры целесообразно применять бескон¬
тактные датчики, действие которых основано на измерении интен¬
сивности излучения с поверхности металла. Использование кон¬
тактных датчиков (например, скользящей термопары, одной ветвью
которой является стержень или ролик, катящийся по поверхности
металла, а другой - свариваемый металл) приводит к большим по¬
грешностям вследствие инерционности датчика и отсутствия посто-
hi того контакта между ним и металлом. Применение бесконтакт¬
ных датчиков позволяет приблизить точку измерения температуры
(площадку визирования датчика) к сварочной дуге.
Однако имеются ограничения на приближение площадки визи¬
рования к сварочной дуге, так как полезный сигнал «забивается»
помехами, вызванными прямым или отраженным излучением дуги.
Иногда удобен вариант размещения площадки визирования датчика
с обратной стороны шва; при этом необходимо обеспечить защиту
датчика от пыли, повреждения расплавленным металлом, темпера¬
турного воздействия окружающей атмосферы.
Необходимо также проектировать устройства, упрощающие
операцию визирования датчика на точку измерения температуры.
Ввиду сложности визирования датчика с обратной стороны шва
и ряде случаев необходимо изыскивать возможности построения
бесконтактных датчиков, устанавливаемых со стороны дуги. Ос¬
новным условием работоспособности датчика в этом случае явля¬
ется наличие корреляции между сигналом с датчика и выбранным
критериальным параметром шва (например, шириной обратного
валика при сварке со сквозным проплавлением). Возможности ис¬
пользования таких датчиков расширяются при аргонодуговой свар¬
ке металлов толщиной 1...5 мм, если стабилизирована внешняя
длина дуги.
Ниже рассмотрен ряд способов контроля формирования шва
по информации со стороны дуги: на основе измерения интенсивно¬
сти излучения спектральной линии базового элемента (например,
линии хрома), бесконтактного способа измерения температуры
в околошовной зоне и размеров сварочной ванны телевизионными
и оптическими средствами, а также способ на основе использова¬
ния математических моделей, связывающих основные параметры
шва, например ширину обратного валика, с параметрами режима
сварки.
Известен способ с применением математических моделей, в ко¬
тором изменения какого-либо параметра сварки, определяющего
294
Глава 6. АСУ ТП сварки
тепловложение, компенсируют изменением других параметров
(рис. 6.4, а) в соответствии с выражением
*(/-/„) , ДУс-О , щи-Up) 0
I V и
(6.1)
где К, L, М - постоянные коэффициенты; /, vcb, U - текущие значе¬
ния тока, скорости и напряжения сварки; /0, vcb0, Uq - номинальные
значения указанных параметров режима.
При К = L = М = 1 суть способа заключается в стабилизации но¬
минального значения погонной энергии с использованием следую¬
щего линеаризованного выражения для приращения погонной энер¬
гии dq без учета эффективного КПД процесса:
dq = —dl -^~dvCB + —dU. (6.2)
Vc„ Vc'b Vcb
Приравняв дифференциал погонной энергии к нулю, получим
условие стабилизации, аналогичное выражению (6.1):
(иГ
dl
м
dvСВ +
Г и Г
dU
U. J
I
UJ
К-в
V
V *св )
IT
Использование неравных по абсолютному значению коэффици¬
ентов К, L, Мпозволяет учесть нелинейный характер связи погонной
энергии с глубиной проплавления. Применение математической мо¬
дели связи параметров режима в этом способе позволило отказаться
от более сложного процесса измерения геометрических параметров
сварного шва. Недостатком этого способа является то, что он не учи¬
тывает влияния на процесс сварки возмущений в свариваемом ме¬
талле (изменений толщины, зазора, теплофизических характеристик
свариваемого материала). Кроме того, не учтена зависимость коэф¬
фициентов модели от параметров режима сварки.
^0^0 v0 *0^0 v0 ^0^0 v0
а в в
Рис. 6.4. Обобщенные структурные схемы САР глубины проплавления
по информации со стороны дуги:
а — по способу стабилизации погонной энергии; 6 - на основе измерения ширины
шва; в - на основе измерения температуры в фиксированной точке шва
6.2. АСУ ТП дуговой сварки нетавящимся электродом
295
В связи с этим был разработан способ регулирования глубины
проплавления при автоматической аргонодуговой сварке неплавя-
щимся электродом путем измерения ширины шва и ее сравнения
с рассчитанным значением по математической модели, аргумента¬
ми которой являются контролируемые параметры режима - напря¬
жение дуги, ток и скорость сварки (рис. 6.4, б).
Этот способ позволяет адаптировать сварочную систему к ря¬
ду неконтролируемых возмущении в металле. Одновременно был
также предложен способ автоматического регулирования глубины
проплавления при автоматической дуговой сварке с компенсацией
неконтролируемых возмущений по температуре, измеряемой в фик¬
сированной точке на поверхности сварочной ванны (рис. 6.4, в).
Недостатки последних двух способов заключаются в том, что
они предусматривают компенсацию лишь тех контролируемых
возмущений, коэффициенты влияния которых на глубину про¬
плавления и на один из параметров температурного поля поверх¬
ности детали имеют одинаковые знаки. Характерным возмущаю¬
щим фактором этого типа является изменение термического КПД
процесса сварки. С его снижением уменьшаются глубина про¬
плавления и ширина шва. Изменение последней свидетельствует
о необходимости коррекции сварочного тока в сторону увеличе¬
ния погонной энергии. С повышением степени распределенности
сварочного источника теплоты увеличивается ширина шва и одно¬
временно уменьшается глубина проплавления. Коррекция процес¬
са по измерению ширины шва связана с уменьшением погонной
энергии, что соответствует еще большему уменьшению глубины
проплавления.
Для учета влияния возмущающих факторов необходим более де¬
тальный анализ физических процессов в зоне сварки. Для решения
этой задачи используют схему (рис. 6.5), на которой представлен
процесс передачи энергии в сварной шов в соответствии с уравне¬
нием, описывающим распространение теплоты от распределенного
сварочного источника в плоском слое:
2
(6.4)
296
Глава 6. АСУ ТП сварки
AN Агэ Ла А Су
Рис. 6.5. Структурная схема системы управления сварочным процессом
с блоком компенсации неконтролируемых возмущений
где Т- температура, °С; х - продольная координата, по направлению
совпадающая со скоростью сварки, см; у - поперечная координата,
направленная вдоль ширины шва, см; z - вертикальная координа¬
та, направленная вдоль глубины шва, см; Q - мощность дуги, Дж/с;
усв - скорость сварки, см/с; Су - объемная теплоемкость материала,
Дж/(см3 • °С); D - толщина слоя, см; а - температуропроводность ма¬
териала, см2/°С; t = */vcb, с; /01, tQ2 - постоянные времени, выражаю¬
щие степень распределенности источника теплоты по осям Y и Z, с.
Источник 1 (см. рис. 6.5) питания сварочной дуги совместно
с приводом 2 движения заготовки формируют полную электриче¬
скую погонную энергию q = /L//vcb. Часть ее q] = r\q передается сва¬
рочной дугой 3 в шов 4. При этом формируется распределенный
источник теплоты с постоянной времени tor На значения Г| и tm вли¬
яют неконтролируемые факторы: изменение AN расхода и состава
защитного газа, изменение Агэ радиуса заточки электрода, связан¬
ное с его постепенным выгоранием, а также изменение длины ду¬
ги. Сварочная дуга формирует в материале заготовки температурное
поле Т(х,у, z) и размеры сварного шва: глубину Н проплавления, ши¬
рину b обратного валика (при 100 %-ном проплавлении). При посто¬
янных погонной энергии и степени распределенности сварочного ис¬
точника эти размеры шва подвержены действию неконтролируемых
6.2. АСУ ТП дуговой сварки неплавящимся электродом
291
возмущений, связанных с изменениями температуропроводности
и объемной теплоемкости свариваемого материала, происходящими
при изменении химического состава свариваемого материала. Раз¬
меры шва особенно чувствительны к изменению толщины матери¬
ала. Управление параметрами формируемого шва осуществляется
устройством 5 по математической модели.
Для выявления характера и степени влияния на процесс сварки
технологических возмущений по уравнению (6.4) рассчитаны зави¬
симости характерных размеров изотермы при 800 °С от изменений
следующих параметров: термического КПД, толщины свариваемого
материала, скорости сварки, объемной теплоемкости, температуро¬
проводности, постоянной времени /01, определяющей степень рас¬
пределенности источника теплоты. На рис. 6.6 представлена расчет¬
ная схема с изображением элементов температурного поля участка
свариваемого материала в зоне шва.
Из расчетов по уравнению (6.4) сделаны выводы: изменения пара¬
метров, определяющих погонную энергию, а также объемной тепло¬
емкости, подобно изменению Г|, приводят к одинаковому (в сторону
увеличения или уменьшения) изменению ширины шва и обратного
валика, температуры в фиксированной точке сварного шва, которая
однозначно связана с параметром Lr Изменения параметров особого
Рис. 6.6. Элементы температурного поля модели детали в зоне сварки:
I - выбранное контролируемое сечение; 2 - изотерма Т - Г; 3 - изотерма темпера¬
туры плавления; 4 - ось сварочной горелки; LT - ширина участка внешней поверх¬
ности свариваемого материала, нагретого выше заданной температуры Г, измеря¬
емой в плоскости горелки; LT- длина участка внешней поверхности сварного шва,
нагретого выше Г, отсчитываемая от оси горелки; Ьт- ширина участка внутренней
поверхности свариваемого материала, нагретого выше заданной температуры Г
298
Глава 6. АСУ ТП сварки
типа (постоянной времени tQ] и температуропроводности а) не оди¬
наково влияют на ширину шва на поверхности детали, температуру
в фиксированной точке шва и ширину обратного валика.
Таким образом, для компенсации действия всей гаммы возмуще¬
ний теплового характера на процесс проплавления, имея средства
контроля за наружной стороной шва, необходимо использовать ин¬
формацию как минимум о двух параметрах в зоне сварки - температу¬
ре около зоны расплава и ширине формируемого шва со стороны дуги.
Для определения этих параметров рассмотрим величины 5и и Г
(см. рис. 6.6) на поверхности свариваемого металла в поперечном
сечении сварного шва на расстоянии х от центра дуги. Путем под¬
становки Т= Г,у = BJ2, z = 0 в уравнение (6.4) получим формулу
для расчета ширины Ви участка свариваемого материала, нагретого
выше температуры Т:
Т=-
2 Q
K»CVD
exp
Bl_
16я(/ + /01)
J4na(t + t0i)
- 1 + f>P
, . (nrt
<t + t02)a I—
(6.5)
Температуру в центре рассматриваемого сечения шва определим
по формуле (6.4) путем подстановки у - 0, z - О, Т - Г:
Т=-
2 Q
1
i+IexP
vSvD ^4na(t + tm) ^ .. .
Из выражений (6.5) и (6.6) имеем
, ч ( Ш
\ D
Т, = ТИ ехр
В:
16 a{t + tm)
К = \6а(1 + (т) = В2И1п^-
(6.6)
(6.7)
t = ,
Vch
где К - критериальный параметр, отражающий влияние возмуще¬
ний особого типа.
Каждому значению К соответствует требуемое расчетное значение
ширины Вр изотермы Т = 7\ При этом значение Вр такое, что глубина про¬
плавления равна толщине свариваемого материала, а ширина обратного
валика соответствует необходимому минимальному значению, равно¬
му технологическому запасу на неточности процесса регулирования.
6.2. АСУ ТП дуговой сварки неплавящимся электродом
299
Рис. 6.7. Зависимость требуемой ши¬
рины В шва от критериального пара¬
метра К
Зависимость Вр = f(K), рассчитанная с помощью уравнения (6.4)
для сечения сварного шва, находящегося на расстоянии х = 100 мм
от оси СГ, приведена на рис. 6.7. Она близка к линейной и ее мож¬
но аппроксимировать уравнением Вр = BQ + АК. Все члены выраже¬
ния (6.7) для определения К можно измерить непосредственно. Кон¬
тролируя ширину Ви участка сварного шва, нагретого в выбранном
сечении выше заданной температуры, и температуру Г в центре вы¬
бранного сечения, по рис. 6.7 можно определить значение Вр по вы¬
численному значению К.
Информационные связи устройства управления 5 и объекта
управления (3, 4) показаны на рис. 6.5. В качестве управляющего
параметра в системе принято приращение сварочного тока А/.
Закон регулирования системы:
А/ = К,AvCB + K2AD-K,AU - К4(ВИ - Вр), (6.8)
где Avcb, АД At/ - отклонения скорости, толщины материала, напря¬
жения дуги от номинальных значений.
Подключая последовательно контуры регулирования, соответству¬
ющие членам правой части выражения (6.8), получаем систему вложен¬
ных алгоритмов выработки управляющего воздействия по току.
Первые три члена правой части уравнения (6.8), определяющие
контуры регулирования по непосредственно измеряемым возмуще¬
ниям, необходимо учитывать для стабилизации требуемого в каж¬
дый момент времени тепловложения, отнесенного к единице тол¬
щины свариваемого материала. Коэффициенты К{-КА приближенно
вычисляют из соотношения
d
' iu'
VVCB Dj
= 0.
Последний член выражения (6.8) определяет отрицательную об¬
ратную связь по отклонению ширины участка свариваемого матери¬
ала, нагретого в выбранном сечении выше температуры 7\ Исполь¬
зование этой обратной связи обеспечивает компенсацию действия
300
Глава 6. АСУ ТП сварки
на глубину проплавления неконтролируемых возмущений различ¬
ной физической природы.
В общем случае точные значения коэффициентов К] - К4 зависят
от текущих значений параметров сварочного процесса. Поэтому для
улучшения качества регулирования их следует уточнять в процессе
сварки экспериментально или рассчитывать в соответствии с извест¬
ными в литературе рекуррентными алгоритмами идентификации.
Структура микропроцессорной системы управления. Система
разработана на базе серийно выпускаемого сварочного оборудования,
ЭВМ и ряда специализированных устройств, позволяющих учиты¬
вать особенность процесса сварки и сварочного оборудования. Рабо¬
та автоматизированного комплекса рассмотрена на примере сварки
прямошовных труб из аустенитных сталей на непрерывных станах.
Технические средства системы подразделяют на три подсисте¬
мы: измерительную, управляющую и исполнительную.
Измерительная подсистема, состоящая из датчиков и формиро¬
вателей сигналов, служит для снятия информации о параметрах про¬
цесса и передачи их в управляющую подсистему. Сигналы на выходе
измерительной подсистемы имеют вид напряжений, изменяющихся
в пределах от +10 до -10 В пропорционально значениям соответ¬
ствующих параметров процесса. Непосредственно можно измерить
шесть параметров: сварочный ток, напряжение дуги, скорость свар¬
ки, толщину свариваемого металла, температуру шва, ширину зо¬
ны шва, нагретой выше некоторой заданной температуры (ширину
шва). Пять последних используют в качестве входных параметров
для формирования управляющего воздействия.
Для измерения сварочного тока пропорциональное ему напря¬
жение снимается с шунта /?ш сварочного источника 12 (рис. 6.8)
и подается на масштабирующий усилитель и фильтр низких ча¬
стот (ФНЧ) 4. Напряжение дуги измеряется с помощью масштабиру¬
ющего резистивного делителя и ФНЧ 5. Необходимость применения
в этих каналах ФНЧ вызвана сложной формой токов и напряжений
в сварочной цепи при использовании в сварочном источнике 12 трех¬
фазного выпрямителя с тиристорным управлением.
Скорость движения свариваемого изделия (трубы, форми¬
руемой из плоской ленты) измеряется фотоимпульсным датчи¬
ком 7, сигнал с выхода которого поступает на преобразователь
частота - напряжение 3.
Толщина ленты измеряется толщиномером 6, дополненным
преобразователем ток - напряжение и линией задержки сигнала 7,
6.2. АСУ ТП дуговой сварки неплавящимся электродом
301
Рис. 6.8. Функциональная схема АСУ ТП сварки труб
необходимой для компенсации различных положений точек сварки
и съема информации. Толщиномер контактного типа выбран благо¬
даря простоте обслуживания, низким требованиям к качеству по¬
верхности ленты в зоне измерения и высокой надежности при ис¬
пользовании в цеховых условиях по сравнению с толщиномерами,
работа которых основана на других физических принципах.
Выходной сигнал толщиномера - ток, поэтому в системе при¬
менен преобразователь 2 ток - напряжение, выполненный на опе¬
рационном усилителе. Чтобы избежать влияния коробления ленты
на измерение ее толщины, сигнал поступает на пиковый детектор
с постоянной времени восстановления приблизительно 5 с. Точка
302
Глава 6. АСУ ТП сварки
съема информации о толщине ленты и точка сварки разнесены на не¬
сколько метров. Для учета времени движения ленты от точки изме¬
рения толщины до точки сварки после пикового детектора установ¬
лено устройство задержки сигнала.
Для определения температуры шва используют пирометр 20
со вторичной частью 79, что позволяет обеспечить надежность
и скорость получения информации. Предлагаемая схема измерения
исключает проблему обеспечения долговечности датчика. Для на¬
ведения в требуемую точку шва пирометр установлен на регулиру¬
емой оснастке с направляющими трубчатого типа. Для повышения
надежности функционирования в цеховых условиях пирометр по¬
мещен в водоохлаждаемый кожух.
Сигнал о ширине зоны шва, нагретой выше некоторой задан¬
ной температуры, выделяется платой 77 из сигнала малогабарит¬
ной телевизионной установки 15. Уровень температуры, по которой
оценивается ширина шва, можно устанавливать, регулируя уровень
чувствительности электронной схемы. Телекамера ориентируется
на шов, как и пирометр. Оптические оси телекамеры и пирометра
направлены в одну точку и лежат в одной плоскости, перпендику¬
лярной к линии шва. Шов в плане можно наблюдать на экране теле¬
монитора, где индицируется и служебная информация, необходимая
для визуального контроля выделяемой температурной зоны. Для за¬
щиты от магнитных наводок и пыли при эксплуатации в цеховых
условиях телекамеру помещают в металлический кожух.
Сигналы от датчиков измерительной подсистемы в виде напря¬
жений поступают в управляющую подсистему, которая обеспечива¬
ет сбор и обработку информации, а также адаптивное управление
процессом. Для повышения быстродействия и надежности она раз¬
делена на две части: вычислительную и собственно управляющую.
Основу первой части составляет микроЭВМ 1 типа IBM PC про¬
мышленного исполнения (см. рис. 6.8), которая через устройство связи
с объектом 16 взаимодействует с остальными элементами подсистемы.
Для эффективного ввода в ЭВМ информации с выхода изме¬
рительной подсистемы служит микропроцессорная система сбора
данных 9. Она позволяет в желаемой последовательности опросить
до 16 аналоговых входов с интервалом опроса не менее 100 мкс,
осуществить аналого-цифровое преобразование, хранение и выдачу
данных в цифровом виде в ЭВМ.
Цифровая информация из ЭВМ передается на дисплей 13 или
устройство термопечати 8. Графическая информация выводится
6.2. АСУ ТП дуговой сварки неплавящимся электродом
303
через интерфейсный блок 77 на планшетный графопостроитель 18.
Режим работы системы задается оператором с клавиатуры.
Процессом сварки управляет аналоговое устройство - контрол¬
лер 10, построенный по схеме пятиканального сумматора. Каждый
канал содержит устройство задания уставки, совмещенное с ФНЧ
и управляемый цифровым кодом делитель напряжения. Коды коэф¬
фициентов деления К] - К5 можно задавать от ЭВМ через устрой¬
ство связи с контроллером 14 в режиме автоматической адаптации
модели или вручную с клавиатуры. Ручной режим предусмотрен
для повышения надежности всей системы при возникновении сбоев
в ЭВМ. Переключение режимов работы системы осуществляет опе¬
ратор с пульта управления.
Исполнительная подсистема необходима для изменения свароч¬
ного тока в соответствии с управляющим сигналом А/, рассчитан¬
ным контроллером 10. Она реализована на базе сварочного источ¬
ника 12 с тиристорным регулятором, управляемым астатической
системой стабилизации тока сварки.
Все элементы системы стабилизации смонтированы внутри сва¬
рочного источника и могут действовать автономно. Это позволяет
использовать выпрямитель в режиме ручного управления при от¬
ключенных ЭВМ и контроллере.
Функционирование АСУ ТП в целом обеспечивается систем¬
ным и прикладным программным обеспечением и программами
драйверов, обеспечивающих обмен информацией между внешними
устройствами системы и ЭВМ. Выбор режима работы системы про¬
исходит по программе, которая обеспечивает диалог с оператором
и ряд сервисных функций. Диалог с машиной не требует от опера¬
тора знания языка программирования или устройства АСУ ТП. Не¬
обходимая для оператора информация может выводиться на печать
или дисплей в виде таблиц, на графопостроитель в виде графиков
параметров процесса или гистограмм. Системное и прикладное про¬
граммное обеспечение хранится в памяти ЭВМ энергонезависимо.
Оператору АСУ ТП предлагает следующие режимы: 1) инфор¬
мационный с опросом по требованию; 2) информационный с про¬
граммированием режима опроса; 3) управляющий со стабилизацией
погонной энергии; 4) управляющий со стабилизацией ширины шва;
5) управляющий с настройкой контроллера от ЭВМ; 6) управляю¬
щий со стабилизацией глубины проплавления.
Режим 1 предназначен для периодического контроля технологи¬
ческих параметров. Он позволяет по требованию оператора вывести
304
Глава 6. АСУ ТП сварки
на экран дисплея таблицу непосредственно измеряемых данных
(сварочный ток, А; напряжение дуги, В; скорость сварки, м/мин; от¬
клонение толщины ленты, мкм; температура, °С; ширина шва, мм).
Режим 2 обеспечивает осуществление периодического опроса
датчиков с автоматическим занесением информации в память ЭВМ.
Оператор задает период опроса и требуемое число циклов измере¬
ний. В процессе работы системы на экране дисплея отображаются
таблицы данных, на графопостроитель по требованию оператора од¬
новременно выводится одна из измеряемых величин. Объем памяти
ЭВМ позволяет выполнить до 200 опросов, цикл между опросами
может назначаться от одной до нескольких десятков секунд. После
окончания опроса по требованию оператора на графопостроитель
могут быть выведены параметры процесса, измеренные датчиком,
а также гистограммы этих величин.
Режимы 3-6 предназначены для применения разработанных ал¬
горитмов управления. Наиболее простым является режим 3, обе¬
спечивающий стабилизацию погонной энергии. При этом требуется
подключить лишь датчики скорости сварки и напряжения дуги. Кон¬
троллер вырабатывает задание по изменению тока для управляемого
сварочного выпрямителя в соответствии с уравнением регулирова¬
ния А/ = KAv -KAU.
I св 2
Коэффициенты Кх и К2 устанавливают вручную при изменении
параметров базовой технологии таким образом, чтобы дисперсия
погонной энергии q = /t//vcB (т.е. ширина гистограммы переменной
величины) была минимальной. Контроллер имеет 10 градаций дис¬
кретной настройки каждого из коэффициентов, и выбор его значе¬
ния не вызывает затруднений. При длительной работе в этом режиме
оператор компенсирует действие неконтролируемых возмущений
ручной подстройкой номинального тока.
Режим 3 позволяет оператору сосредоточиться на компенсации
более тонких процессов (связанных с изменением КПД и т. д.), а не
на контроле за изменением напряжения и скорости сварки. Примене¬
ние этого режима дает возможность уменьшить дисперсию ширины
обратного валика в несколько раз, а также увеличить скорость свар¬
ки на 35% без ухудшения качества сварного шва. Оператор регули¬
рует значение тепловложения в зависимости от отклонения толщи¬
ны ленты, считываемой со стрелочного индикатора толщиномера.
Преимущества режима 3 заключаются в простоте технической
реализации и высокой надежности благодаря применению малого
количества простых измерительных средств.
6.2. АСУ ТП дуговой сварки неплавящимся электродом
305
Режим 4 требует использования телевизионного датчика и обе¬
спечивает высокую стабильность процесса сварки на протяжении
нескольких часов работы системы.
Благодаря режиму 5 осуществляется автоматическая подстрой¬
ка коэффициентов регулирования с помощью одношагового ал¬
горитма адаптации. При этом достигается наилучшее качество
регулирования.
При использовании режима 6 глубина проплавления регулирует¬
ся с компенсацией действия технологических возмущений различ¬
ной физической природы. При этом устанавливают сложные прибо¬
ры контроля поверхности сварного шва: пирометрический датчик,
телевизионный датчик ширины шва, а также используют микро-
)ВМ в контуре регулирования.
В последнее время большое внимание уделяется развитию спо¬
собов получения информации о качестве шва в процессе сварки
(непосредственно в момент выполнения шва), например методами
контроля спектрального излучения дуги и сварочной ванны, по из¬
учению частотного спектра колебаний сварочной ванны при им¬
пульсном воздействии на нее. Первый способ основан на изучении
спектра излучения от сварочной ванны или околошовной зоны и от
сварочной дуги. Качественное и количественное изучение состава
спектра излучения сварочной дуги может дать важную информацию
для контроля и регулирования проплавления в процессе сварки.
Наиболее перспективен способ контроля и регулирования про¬
плавления сварного шва по спектру излучения дуги. Его можно при¬
менять при сварке плавлением разнородных металлов и сплавов
и при наплавочных работах. В этих случаях по спектру дуги можно
контролировать химический состав металла шва, долю участия сва¬
риваемых металлов в его образовании и некоторые геометрические
параметры шва. Одним из первых условий при этом, конечно, долж¬
на являться возможность наблюдения за сварочной дугой.
Принцип работы системы контроля проплавления стыка с ис¬
пользованием колебаний сварочной ванны заключается в возбуж¬
дении колебаний в сварочной ванне проходящим через дугу крат¬
ковременным (несколько миллисекунд) импульсом тока. Частота
и амплитуда колебаний сварочной ванны зависят от ее массы. Масса
сварочной ванны функционально связана с глубиной проплавления
стыка. Случай неполного проплавления стыка соответствует нали¬
чию сварочной ванны с малой массой. При возбуждении импульсом
тока в ванне возникают свободные колебания с малой амплитудой
306
Глава б. АСУ ТП сварки
и большой частотой. При полном проплавлении стыка сварочная
ванна имеет большую массу и по окончании действия кратковре¬
менного импульса тока в ней возникают затухающие колебания
с большой амплитудой и меньшей частотой. На практике, когда име¬
ется переход от непровара стыка к полному проплавлению, часто¬
та колебаний сварочной ванны ступенчато изменяется в пределах
150...50 Гц. Контроль резкого изменения частоты этих колебаний
позволяет получить информацию о качестве формирования шва
в процессе сварки.
6.2.2. АСУ трубосварочным автоматом для многослойной
сварки кольцевых стыков труб
Программный цикл работы сварочного автомата. Сварочное
оборудование в этом случае дополнительно оснащается системами
программного управления (СПУ) пространственным перемещени¬
ем сварочной горелки.
По уровню совершенства СПУ можно подразделить на ряд
групп. Наиболее просты системы с жесткой программой без об¬
ратных связей. Они задают и осуществляют определенный цикл
операций процесса, не содержат устройств для контроля резуль¬
татов управления. Такие СПУ целесообразно использовать, если
свариваемая деталь имеет несложную форму и хорошо подготов¬
лена под сварку, а процесс выполняется в одном пространствен¬
ном положении. Программа обеспечивает определенную последо¬
вательность операций включения и выключения отдельных узлов
автомата. Их широко применяют в крупносерийном и массовом
производствах.
На более высоком уровне стоят СПУ, изменяющие несколь¬
ко параметров процесса по заранее разработанной жесткой про¬
грамме уставок. В этом случае вследствие отсутствия информа¬
ции о результатах управления программирование не позволяет
получить качественные сварные соединения при технологических
возмущениях.
В условиях действия технологических возмущений наиболее
перспективны СПУ с обратными связями по программируемым па¬
раметрам. Обратная связь в таких системах реализуется с помощью
датчиков, которые в любой момент времени позволяют получать ис¬
тинную информацию об изменении каждого параметра процесса.
Обеспечивается режим гибкого программного управления. Эти СПУ
сложнее рассмотренных выше систем, но обладают значительно
6.2. АСУ ТП дуговой сварки нетавящимсн электродом
307
большими возможностями в управлении процессом сварки, особен¬
но в условиях действия случайных технологических возмущений.
11ри разработке программ сварочного цикла важны выбор техноло¬
гической схемы сварки и определение границ участков с одинаковы¬
ми параметрами режима. Эти задачи следует решать в зависимости
от того, требуется ли получить максимальную производительность,
соблюсти определенный термический цикл или обеспечить выпол¬
нение процесса при минимальных изменениях режима. Например,
для неповоротного кольцевого стыка труб из аустенитной стали
в широком диапазоне диаметров (40...400 мм и более), выполняе¬
мого автоматически аргонодуговой сваркой за несколько проходов,
можно составить типовую программу последовательности свароч¬
ных операций, представленную циклограммой на рис. 6.9.
В данном случае программа состоит из этапов начального обду¬
ва НО соединения аргоном (5... 10 с), включения контактора на ис¬
точнике питания и возбуждения осциллятором Осц основной ду¬
ги, обеспечивающей местный прогрев стыка (4...6 с), включения
двигателя подачи присадочной проволоки и привода вращения сва¬
рочной головки, обеспечивающих требуемою скорость vcb сварки,
скорость vnp подачи присадочной проволоки и наложения рабочего
участка шва.
Рис. 6.9. Типовая циклограмма процесса аргонодуговой сварки
неповоротного кольцевого стыка трубы
308
Глава 6. АСУ ТП сварки
Конечная программа требует некоторого перекрытия П начала
шва (8... 10 с), заварки кратера ЗК и заключительного обдува 30 сты¬
ка аргоном (10... 15 с). После небольшой паузы (1-2 мин) по той же
программе выполняется следующий проход шва.
Подобную программу можно применить и для выполнения пря¬
молинейного шва при однопроходной сварке. Однако не всегда ус¬
ловие постоянства основных параметров режима сварки на рабо¬
чем участке программы можно считать достаточным. Например,
для стыков труб диаметром до 40 мм при обычных скоростях свар¬
ки как в поворотном, так и в неповоротном положении наблюдается
изменение температурного поля в зоне сварочной ванны. При свар¬
ке неповоротных стыков труб диаметром более 100 мм в связи
с увеличенным объемом сварочной ванны наблюдается стекание
сварочной ванны, особенно при сварке на подъем. В этих случаях
качество шва по периметру стыка неодинаково, возможны дефекты
формирования. Температурное поле сварочной ванны изменяется
по двум причинам: вследствие ее нестационарного теплового со¬
стояния (что вызвано холодным металлом трубы в начале сварки)
и под действием встречного потока теплоты от дуги, который в за¬
висимости от периметра стыка и мощности дуги подогревает сва¬
рочную ванну.
Начальную нестационарность теплового состояния ванны при
сварке многих деталей можно устранить вводом планки, на которой
возбуждается дуга, но для стыка труб это неосуществимо. Можно
применять начальный подогрев, задерживая дугу в течение несколь¬
ких секунд на месте. Такой прием не всегда дает хороший резуль¬
тат, так как ширина и глубина кольцевого шва трубы изменяются
по длине стыка, сваренного на постоянном режиме. Более эффектив¬
но корректировать тепловой режим в соответствии с изменением ко¬
эффициента теплонасыщения путем программного регулирования
скорости сварки или тока дуги. Для труб диаметром 100 мм и более
необходимо увеличение поверхностного натяжения во избежание
излишнего провисания корня шва.
Целесообразно активное воздействие на ванну жидкого метал¬
ла для формирования качественного шва. Одним из таких воздей¬
ствий является получение дополнительной силы путем создания
разного давления газа во внутренней и внешней полостях трубы.
Технология сварки в этом случае предусматривает создание с лю¬
бой стороны шва герметичной камеры. Во избежание подсоса га¬
за через стык последний необходимо загерметизировать ниточным
6.2. АСУ ТП дуговой сварки неплавящимся электродом
309
швом с начальным проплавлением стенки трубы. Основной проход
будет осуществляться с программированием давления по обе сторо¬
ны стенки трубы ввиду различного направления сил, участвующих
и формировании ванны. Применение активных сил позволяет отка¬
заться от подкладок, применяемых при сварке швов, когда имеется
доступ к месту сварки с обеих сторон, и формировать швы с одно¬
сторонним доступом без разделки кромок стенки трубы или листа.
Кроме перечисленных выше способов программирования (по то¬
ку, скорости и давлению в зоне сварки) для достижения требуемо¬
го качества сварки можно применять программное регулирование
амплитуды и частоты колебаний неплавящегося электрода, а также
подачи присадочной проволоки, что позволяет увеличить ширину
ванны и уменьшить ее стекание. При многопроходной сварке мож¬
но программировать перемещение сварочной горелки от прохода
к проходу. Функциональная схема устройства, выполняющего рабо¬
чую программу аргонодуговой сварки неповоротного стыка трубы,
показана на рис. 6.10.
На схеме выполнено программирование семи рабочих параме¬
тров: скорости усв сварки, сварочного тока / в, расхода QM аргона
в зоне сварки, частоты / колебаний сварочной головки, угла а от¬
клонения амплитуды колебаний сварочной горелки от вертикали,
Рис. 6.10. Функциональная схема устройства сварочной горелки,
выполняющего рабочую программу аргонодуговой сварки неповоротного
стыка трубы
310
Глава 6. АСУ ТП сварки
скорости vip подачи присадочной проволоки, перемещения свароч¬
ной горелки по координатам х и у. Блоки программирования БП1 -
БП7 перечисленных параметров можно выполнять типовыми, а в ка¬
честве элементов этих блоков применять электромеханические реле,
полупроводниковые приборы и интегральные схемы.
Связь блоков программирования по каждому параметру режи¬
ма сварки с соответствующими исполнительными органами, источ¬
ником питания ИП, приводами исполнительных механизмов ИМ
обеспечивается через типовые усилители мощности УМ. Для реа¬
лизации программы во времени периметр стыка трубы разбивают
на некоторое число участков, причем каждому участку соответству¬
ет определенное значение параметра режима сварки, задаваемое
программоносителем, например регулируемым резистором.
Блоки БП1 - БП7 могут быть объединены в единый блок памя¬
ти. Передача данных программы и логические операции над ними
происходят по цепям малой мощности. Для разделения цепей малой
мощности и силовых цепей исполнительных органов используют
типовые УМ.
На рис 6.11 представлен пример схемы заполнения разделки не¬
поворотного стыка трубы при многопроходной сварке и приведены
программы перемещения горелки по координатам* и у.
Рис. 6.11. Схема заполнения разделки стыка (а) и программы перемеще¬
ния сварочной горелки по координатам * и у (б, в)
6.2. АСУ ТП дуговой сварки нешавящимся электродом
311
Микропроцессорная система управления сварочным авто¬
матом. Обобщенная структура микропроцессорной системы управ¬
ления (рис. 6.12) не содержит обратных связей по выходным параме¬
трам объекта сварки (геометрическим характеристикам параметров
шва) и поэтому классифицируется как разомкнутая. Замкнутая си¬
стема управления включает в свою структуру информационные дат¬
чики, измеряющие выходные параметры объекта. Эта информация
в замкнутых системах используется для коррекции уставок по тех¬
нологическим параметрам процесса. Величину корректирующих
воздействий на уставку можно вычислить через математическую
модель, связывающую эти параметры с выходными параметрами
качества сварки, например геометрическими параметрами сварно¬
го шва.
В результате развития микропроцессорных систем были соз¬
даны человекомашинные системы управления технологическими
процессами, в которых обработка информации и формирование оп¬
тимальных управлений осуществляются человеком с помощью ми¬
кропроцессорного контроллера. Микропроцессорный контроллер
в этом случае является многоканальным информационно-управля-
ющим устройством в АСУ ТП.
Типовая структура АСУ ТП (рис. 6.13) включает в себя устрой¬
ство связи с объектом УСО и микропроцессорный контроллер -
управляющая вычислительная машина УВМ, осуществляющая
централизованное управление одним или несколькими технологи¬
ческими объектами управления ТОУ. В этом случае надежность все¬
го комплекса определяется надежностью УСО и микроконтроллера:
при выходе их из строя нормальное функционирование технологи¬
ческого оборудования невозможно.
Рис. 6.12. Обобщенная схема разомкнутой микропроцессорной системы
управления
312
Глава 6. АСУ ТП сварки
Pfic. 6.13. Типовая структура централизованной АСУ ТП
с прямым цифровым управлением
Микроконтроллер в АСУ ТП вырабатывает оптимальные регу¬
лируют11^ воздействия и с помощью соответствующих преобразо¬
вателей передает через УСО команды управления на исполнитель¬
ные усГФ0йства ИУ. АСУ ТП, микроконтроллеры которых работают
в такоМ Режиме, называют автоматизированными системами с пря¬
мым цифровым управлением (ПЦУ).
ОпФаТор в АСУ ТП с ПЦУ должен иметь возможность изме¬
нять у£та1ши, контролировать избранные переменные, варьировать
диапаз0НЧ допустимого изменения переменных, изменять параме¬
тры настРЬйки и иметь доступ к управляющей программе. Для обе¬
спечения этих функций необходимо иметь устройство связи в виде
пульта оп0ратора и средств отображения информации. Применение
микропроцессорного контроллера в режиме ПЦУ позволяет строить
программным путем системы регулирования по возмущению, ком¬
бинированные системы каскадного и многосвязного регулирования,
учиты0аюЦие связи между отдельными частями объекта управления.
В сис?емах с ПЦУ можно реализовать не только оптимизирующие
функц№ но и адаптацию к изменению внешней среды и перемен¬
ным пзРа1Иетрам объекта. При этом упрощаются1 реализация режимов
пуска И остановки процессов, переключение с ручного РУ на автома¬
тически У правление, операции переключения исполнительных меха¬
низмов ОС1новного и вспомогательного оборудования.
Основное требование к системам с ПЦУ заключается в обеспе¬
чении выс:окой надежности работы элементов цифровой техники,
в частН001 и микропроцессорного контроллера.
Особецно важно выполнение этого требования при использовании
осцилЛятора для зажигания дуги в сварочной установке. Несмотря
6.2. АСУ ТП дуговой сварки неплавящимся электродом
313
на высокую надежность всех средств системы, отказы в микропро¬
цессорной технике возможны, и это обстоятельство необходимо особо
учитывать при построении АСУ ТП с ПЦУ. Вследствие этого при про¬
ектировании АСУ ТП важно проводить тщательный анализ выпускае¬
мой микропроцессорной техники и отбор для нее надежной элемент¬
ной базы при разработке схемных решений, позволяющих защитить
систему от поражающего действия при зажигании и обрыве дуги.
Рассмотрим структуру микропроцессорной системы управления
многомоторным сварочным автоматом (рис. 6.14).
Основными элементами сварочного автомата являются: свароч¬
ная аппаратура, система управления сварочной аппаратурой, блок
регистрации, внешняя ЭВМ.
К сварочной аппаратуре относят следующие устройства:
• блок зажигания дуги, предназначенный для начала процесса
сварки и его последующего поддержания (в случае импульсно-дуго¬
вой сварки) без снижения качества заточки электрода (технологиче¬
ские требования);
Блок регистрации
параметров сварки
RS232
Внешняя
ЭВМ
RS232
Оператор
ПУ сварочной
установкой
_L
Блок
технологических
команд
Г
Блок
управления
двигателями
МП-
контроллер
I
[ Сварочная головка
с двигателями
Источник питания Нп
1
I
Газовая аппаратура
Блок
зажигания дуги
Сварочная
аппаратура
Измерительный
преобразователь
Телевизионный
блок
Датчики — визуализации
процесса
сварки
Система управления
Рис. 6.14. Функциональная схема АСУ ТП с прямым цифровым управ¬
лением многомоторным сварочным автоматом для аргонодуговой сварки
неповоротных стыков труб
314
Глава 6. АСУ ТП сварка
• газовая аппаратура, которая служит для редуцирования давле¬
ния защитного газа, его подогрева, осушения, своевременного включе¬
ния электромагнитного клапана и подачи защитного газа в зону сварки;
• сварочная головка с двигателями, предназначенными для ее
направления по заданной траектории, подачи присадочной прово¬
локи, колебаний сварочной головки;
• источник питания с регулируемой вертикальной ВАХ на рабочем
участке, используемый для выработки и изменения сварочного тока.
Система управления сварочной аппаратурой предназначена для
управления циклом и технологическими параметрами процесса сварки.
Эта система управления включает:
• микропроцессорный контроллер, который служит для при¬
нятия команд и уставок с пульта оператора, реализации команд
программы управления процессом сварки, опроса датчиков, связи
с блоком технологических команд, выработки сигналов управления
на двигатели сварочной установки, осуществления передачи данных
через интерфейс на блок регистрации данных и внешнюю ЭВМ;
• пульт управления (ПУ) сварочной установкой, предназначен¬
ный для отображения технологических параметров режима, выбора
начальных параметров, изменения параметров оператором и контро¬
ля за изменением технологических параметров в процессе сварки;
• блок технологических команд, используемый для изменения
уставок на блоках сварочной аппаратуры под действием микропро¬
цессорного контроллера, их передачи на исполнительные устрой¬
ства и механизмы сварочной аппаратуры;
• блок управления двигателями, предназначенный для распре¬
деления и передачи команд оператора с пульта управления через
микропроцессорный контроллер и блок технологических команд
на исполнительные механизмы сварочной аппаратуры;
• телевизионный блок визуализации процесса сварки, применя¬
емый для отображения зоны сварки в труднодоступных местах, для
визуального контроля за ходом процесса сварки оператором и воз¬
можного введения корректирующих воздействий на систему;
• датчики, предназначенные для измерения значений техноло¬
гических параметров в процессе сварки, для преобразования и пере¬
дачи этой информации в микропроцессорный контроллер;
• аналого-цифровой измерительный преобразователь с коммута¬
цией каналов, который служит для измерения уровней сигнала с дат¬
чиков, преобразования сигналов датчиков в цифровой код, передачи
оцифрованных сигналов в микропроцессорный блок управления.
6.3. АСУ ТП дуговой сварки плавящимся электродом
315
IfffilffHiffllllllllllllillll
~ ^ т -
янв яяГ- гав пш
| ц . Ошт^ Ом..щ
;
# • -
В Ф
• а
Л— /т• • •
Рис. 6.15. Блок управления сварочного автомата «Орбита»
Блок регистрации предназначен для сбора, документирования
параметров технологического процесса, получения паспорта каче¬
ства на технологический процесс.
Внешнюю ЭВМ используют для статистической обработки па¬
раметров технологического процесса и оптимизации технологиче¬
ского процесса по встроенной математической модели.
На рис. 6.15 показан блок управления (цифровой пульт) много¬
моторным сварочным автоматом «Орбига».
6.3. АСУ ТП дуговой сварки плавящимся электродом
При разработке автоматизированного сварочного оборудова¬
ния для сварки плавящимся электродом в защитном газе в системе
управления требуется учесть решение двух важных функциональ¬
ных задач:
1) управление переносом электродюго металла для минимиза¬
ции его разбрызгивания при сварке;
2) управление формированием шва з разных пространственных
положениях при действии на объект теснологических возмущений
различной физической природы.
6.3.1. Структура микропроцессорная системы управления
оборудованием для MIG'MAG-сварки
Реализация идей управляемого переноса электродного металла
была достигнута разработкой и внедрением инверторных источников
316
Глава 6. АСУ ТП сварки
питания с микропроцессором в контуре управления. Рассмотрим
микропроцессорную систему управления (МПСУ) дуговой сваркой
плавящимся электродом (рис. 6.16).
Основой системы управления служит микропроцессорный кон¬
троллер, в состав которого входят МП, ПЗУ и ОЗУ. Микропроцессор
оперирует информацией в цифровой (дискретной) форме в двоич¬
ной системе счисления (единица - нуль). В то же время регуляторы
ВУ (ГС, ПМ, ИП) воспринимают команды в виде непрерывного сиг¬
нала переменной величины (аналоговая форма). Поэтому в систе¬
ме предусмотрены ЦАП (для передачи информации от МП к ВУ)
и АЦП (для передачи сигналов обратной связи от ВУ к МП).
Рис. 6.16. Функциональная схема МПСУ дуговой сваркой
плавящимся электродом:
ГС - газовая система; ПМ - подающий механизм; ВУ - внешние устройства; ИВВ -
интерфейс ввода-вывода данных; ГТИ - генератор тактовых импульсов; ПЗУ, ОЗУ -
постоянное и оперативное запоминающие устройства; МП - микропроцессор; ВТ -
видеотерминал, АЦПУ - алфавитно-цифровое печатающее устройство; Д - датчик;
ИП - источник питания; ИУ - измерительное устройство; ЦАП - цифроаналоговый
преобразователь; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; У СО - устройство
связи с объектом; Э - электрод
6.3. АСУ ТП дуговой сварки плавящимся электродом
317
Связь МП с ВУ реализуется через ИВВ. Совместно с ЦАП и АЦП
в цифровых системах управления ИВВ формирует устройство связи
МПсДиИУ.
Если МП встроен в корпус источника, целесообразно использо¬
вать недорогие МП-контроллеры с малым объемом памяти. Однако
более рационально предусматривать микропроцессорное управле¬
ние не отдельным источником, а всей комплексной установкой для
сварки, включающей сварочный аппарат, оснащенный приводами
подачи проволоки и перемещения изделия И со скоростью сварки,
газовый клапан, а также манипулятор изделия. Следующим логиче¬
ским шагом является объединение в одну систему еще и управле¬
ние роботом, т.е. манипулятором сварочной головки. В этом случае
лучше использовать специализированные МПСУ с высоким бы¬
стродействием и большим объемом памяти. Иногда такие системы
снабжают ВТ для визуального контроля информации и АЦПУ для
протоколирования процесса сварки.
Как и при сварке неплавящимся электродом, здесь также возмож¬
ны два принципа управления технологическими процессами с приме¬
нением микропроцессорного управления сварочным оборудованием:
1) по жестким программам (системы без обратных связей по вы¬
ходным параметрам объекта);
2) по замкнутому принципу (системы с обратными связями, на¬
пример, по параметрам формы шва, температурным характеристи¬
кам зоны сварки, параметрам тока, напряжения дуги, скорости по¬
дачи электрода и др.
В данном случае система представляет собой АСУ ТП с адаптив¬
ными связями и комплектом измерительной аппаратуры - датчика¬
ми параметров процесса сварки.
6.3.2. АСУ ТП многослойной MIG/MAG-сварки кольцевых
стыков магистральных трубопроводов
При многослойной автоматической сварке изделий ответствен¬
ного назначения, таких как магистральные газонефтепроводы, к ка¬
честву формируемого сварного соединения предъявляют очень
высокие требования. Для всех слоев - корневого и заполняющих -
исключаются образование подрезов, непроваров, прожогов, не-
сплавления кромок с наплавляемым валиком, отсутствие плавного
сопряжения наплавляемого валика с кромками разделки. Эти дефек¬
ты могут быть вызваны появлением в процессе сварки различных
технологических возмущений. В первую очередь к их числу относят
318
Глава 6. АСУ ТП сварки
геометрические отклонения сварочного автомата от требуемой тра¬
ектории на свариваемом изделии. Помимо этого дефекты могут
быть обусловлены смещением направляющей, которая обеспечива¬
ет движение сварочной головки по линии свариваемого стыка, из¬
носом роликов автомата, зазорами в механических узлах сварочной
головки. В процессе сварки с поперечными колебаниями электро¬
да и особенно при заварке корневого слоя возможно смещение цен¬
тра колебаний относительно середины разделки стыка вследствие
утяжки образуемого шва. К нарушению позиционирования конца
электродной проволоки может привести износ подающих и направ¬
ляющих элементов в механизме подачи проволоки, ее искривление
и деформация на длине вылета. Кроме того, на стабильность про¬
странственного положения дуги и, как следствие, на качество свар¬
ки может повлиять магнитное дутье. Изменение в процессе сварки
зазора, величины притупления и смещение кромок в разделке сты¬
ка - также одна из групп серьезных технологических возмущений,
приводящих к ухудшению качества сварки.
В этих условиях для обеспечения качества сварки требуется со¬
здание автоматизированного сварочного оборудования с комплек¬
том бесконтактных датчиков, интерфейсных устройств связи, про¬
граммными средствами, обеспечивающими обработку информации
с датчиков, системой документирования и прогнозирования каче¬
ства сварки, системой управления процессом сварки на основе ма¬
тематических моделей.
Структура такого автоматизированного сварочного комплекса
может быть представлена трехконтурной цифровой системой управ¬
ления. Первый контур - контур прогнозирования качества - иден¬
тифицирует скрытые и внешние дефекты. Второй контур - контур
управления формированием сварного соединения - технологическая
адаптация сварочного оборудования к различным технологическим
возмущениям. Третий контур решает задачу геометрической адапта¬
ции, т. е. ведение источника нагрева точно по линии стыка и устра¬
нение дефектов, которые связаны со смещением электрода от линии
стыка. Функция оператора здесь сводится к заданию технологиче¬
ских параметров сварки, параметров свариваемого материала, диа¬
метра электрода, вида защитного газа, фамилии оператора, паспор¬
та изделия, номера прохода при сварке стыка. Все требуемые для
сварки параметры режима выбираются из памяти компьютера как
программные. Программы также содержат правила (знания) управ¬
ления процессом сварки с учетом пространственного положения
6.3. АСУ ТП дуговой сварки плавящимся электродом
319
сварочной головки над свариваемым изделием, отклонений геоме¬
трических параметров сборки стыка и изменений его координат.
Оми представляют собой формализованный опыт (знания) высоко¬
квалифицированного сварщика и данные штатной технологии, из¬
ложенные в технологических картах. Такая организация процесса
сварки реализует цифровую технологию со средствами прогнозиро¬
вания, управления и диагностирования процесса в автоматическом
режиме с цифровой обработкой информации в реальном времени
но сигналам с датчиков.
Функциональная схема этого автоматизированного сварочного
комплекса представлена на рис. 6.17.
Все основные управляющие функции возложены на промыш¬
ленный компьютер (ПК), расположенный в защищенном от осадков
помещении, в котором поддерживается температура -20... +60 °С.
11ульт оператора может быть подключен как к ПК, так и к блоку
управления, он позволяет запускать процесс и корректировать пара¬
метры сварки. Блок управления располагают на расстоянии до 15 м
от сварочной головки и источника питания.
Промышленный компьютер выполняет следующие основные
функции:
• формирование управляющих команд для всех элементов си¬
стемы управления;
Рис. 6.17. Функциональная схема автоматизированного комплекса
многослойной MIG/MAG-сварки в защитном газе
320
Глава 6. АСУ ТП сварки
• реализация циклограмм рабочего цикла;
• программирование всех параметров рабочего цикла;
• отображение всех параметров хода процесса;
• реализация управляющих и прогнозирующих алгоритмов
с помощью нейросетевой модели;
• сохранение в базе данных информации о каждом сварочном
процессе;
• просмотр сохраненных сварочных процессов.
Пульт оператора подключается к ПК или к блоку управления
по интерфейсу RS485. Он предназначен для осуществления:
• выбора режима работы оборудования;
• запуска и остановки процесса (в том числе аварийной);
• коррекции технологических параметров в процессе сварки.
Блок управления подключается к ПК по интерфейсу Ethernet.
Он выполняет:
• управление подачей газа;
• формирование управляющих сигналов для источника свароч¬
ного тока;
• статистическую обработку значений тока и напряжения
сварки;
• управление двигателями сварочной головки;
• обработку сигналов датчиков углового положения сварочной
головки и профиля стыка;
• формирование питающих напряжений для всех элементов
установки.
Программное обеспечение этого блока разработано с использо¬
ванием среды LabView.
При незначительных перекосах кромок и изменениях зазора
в стыке коррекция режима сварки возможна введением попереч¬
ных колебаний электрода с задержкой на кромках. Зависимости ам¬
плитуды колебаний электрода от зазора в стыке, времени задержки
электрода на кромках при их перекосе имеют линейный характер.
Эти данные дают возможность использовать линейный закон управ¬
ления режимами сварки в системе управления при указанном типе
возмущений.
Разработанное программное обеспечение для системы адаптив¬
ного управления позволяет реализовать автоматический режим ее
работы с управлением всеми приводами и другими исполнительны¬
ми устройствами системы. Цифровая технология автоматической
сварки кольцевых стыков труб обеспечивает повышение качества
6.3. АСУ ТП дуговой сварки плавящимся электродом
321
и производительности при строительстве и ремонте магистральных
газопроводов большого диаметра за счет полной автоматизации про¬
цесса сварки. При этом сварочный комплекс обеспечивает:
• программирование параметров режима сварки на различных
часовых поясах орбитального стыка трубы;
• автоматический цикл сварки орбитального стыка трубы;
• контроль и протоколирование параметров сварки и геометри¬
ческих параметров сборки стыка;
• измерение геометрических параметров сборки стыка и опре¬
деление его положения в пространстве. Использование этой инфор¬
мации для коррекции базовых режимов сварки и положения свароч¬
ной головки относительно линии стыка;
• управление процессом сварки по адаптивному алгоритму
в структуре системы управления;
• прогнозирование и протоколирование качества сварки при
корневом и заполняющих проходах стыка на базе нейросетевого
классификатора дефектов;
• управляемый перенос капель электродного металла, миними¬
зирующий разбрызгивание;
• обеспечение дозируемого силового и теплового воздействия
на сварочную ванну.
Выносной датчик (см. рис. 6.17) тока и напряжения сварки под¬
ключают по интерфейсу RS485 к блоку управления. Он выполняет:
• измерение среднего и мгновенного значений сварочного тока;
• измерение среднего и мгновенного значений напряжения дуги;
• передачу измеренных значений в блок управления.
Сварочный источник питания при использовании управляющих
сигналов от блока управления позволяет управлять переносом элек¬
тродного металла и формированием шва.
В комплексе использован инверторный источник питания
ДС-400.33 УПК с цифровым управлением. В источнике реализован
режим управляемого переноса капель электродного металла, мини¬
мизирующий его разбрызгивание при сварке. Качество формирова¬
ния шва поддерживается через источник питания регулированием
его импульсного и базового тока системой управления сварочного
комплекса по сигналам с датчиков, установленных на сварочной
головке.
Датчик углового положения сварочной головки осуществляет:
• измерение текущего углового положения сварочной головки
на трубе;
322
Глава 6. АСУ ТП сварки
• измерение угла наклона сварочной горелки относительно сва¬
рочной головки;
• передачу измеренных данных в блок управления.
Многомоторная сварочная головка (ГАСТ-1, разработка фирмы
«Технотрон») позволяет реализовать следующие движения свароч¬
ной горелки: 1) перемещение вдоль линии стыка; 2) коррекция по¬
ложения поперек линии стыка; 3) колебания поперек линии стыка;
4) вертикальная коррекция; 5) изменение угла наклона.
Датчик профиля стыка выполняет:
• измерение профиля стыка до сварки;
• измерение профиля сварного шва после сварки;
• передачу измеренных данных в блок управления.
В качестве этого датчика в комплексе применен двумерный ла¬
зерный сканер РФ603 (фирма «Рифтек»).
Рис. 6.18. Триангуляционный принцип работы датчика профиля стыка
6.4. АСУ ТП контактной сварки
323
В основу работы сканера положен принцип оптической триангу¬
ляции (рис. 6.18).
Излучение полупроводникового лазера 4 формируется объ¬
ективом 5 в виде линии 6 и проецируется на объект 7. Рассеян¬
ное на объекте излучение объективом 1 собирается на двумерной
CMOS-матрице 2. Полученное изображение контура объекта анали¬
зируется сигнальным процессором 2, который рассчитывает рассто¬
яние до объекта (координата Z).
6.4. АСУ ТП контактной сварки
6.4.1. Иерархия электросварочного оборудования
с микроконтроллерами и ЭВМ
Перспективным является использование в схемах управления
контактной сварочной машины контроллеров, выполненных на базе
микропроцессоров. Контроллеры позволяют хранить в памяти не¬
сколько десятков программ режима сварки (включая последователь¬
ность и длительность операций), значения сварочных токов, токов
подогрева, отжига, сварочной и ковочной силы сжатия и т. п. Требу¬
емую программу режима может вызвать оператор, включая клавиши
терминала в зависимости от марки материала и толщины сваривае¬
мого изделия. Вызванная программа обрабатывается контроллером
и обеспечивает заданный цикл сварки.
Современные микропроцессорные средства управляющей вы¬
числительной техники (МСУВТ) оперируют с 8- и 16-разрядными
двоичными числами, время выполнения короткой операции типа
«регистр - регистр» находится в пределах 1 мкс, объем памяти до¬
стигает нескольких десятков килобайт.
Повышение вычислительной мощности МСУВТ ведет к резко¬
му возрастанию их стоимости и, как следствие, - к сокращению сфе¬
ры применения.
Таким образом, имеется противоречие между высоким уровнем
требований, предъявляемых к системам управления электросва¬
рочным оборудованием (ЭСО), и ограниченными возможностями
современных МСУВТ. Это противоречие можно разрешить путем
максимального учета специфики конкретного объекта управления
в структуре и параметрах будущей системы управления.
324
Глава 6. АСУ ТП сварки
Следуя традиционной классификации ЭСО, можно условно вы¬
делить три уровня МСУВТ.
К первому уровню следует отнести микропроцессорные
контроллеры, предназначенные для комплектования отдельных сва¬
рочных устройств, которые выпускают большими сериями (машины
переменного тока для точечной сварки). Такие контроллеры должны
быть непосредственно встроены в сварочную машину и обеспечи¬
вать ее функционирование и при автономном использовании, и в со¬
ставе сборочно-сварочных линий. Существенными параметрами
в этом случае являются надежность, технологичность изготовления,
материалоемкость, цена. В качестве элементной базы для контрол¬
леров целесообразно использовать однокристальные микроЭВМ,
дополняемые комплектами интерфейсных БИС.
Максимальный учет особенностей объекта управления и усло¬
вий его эксплуатации на этом уровне достигается схемотехниче¬
ски путем разработки специализированных микропроцессорных
плат, конструкций, блоков питания, а также путем организации их
серийного производства на сварочных заводах. Примером системы
первого уровня является контроллер ККС-01, выполненный на базе
однокристальной микроЭВМ КД816ВЕ48 и предназначенный для
управления точечными контактными машинами переменного тока.
Второй уровень МСУВТ составляют системы, предназначен¬
ные для управления сложными комплексами ЭСО, объем выпуски
которых не превышает нескольких десятков (точечные контактные
машины с выпрямлением во вторичном контуре, многоэлектрод¬
ные машины, обрабатывающие центры типа BILLER со свароч¬
ными операциями и др.). На этом уровне существенно возрастают
требования к вычислительной мощности МСУВТ, которые должны
обеспечить: параллельное ведение нескольких сварочных процес¬
сов, контроль качества соединения по заданному закону изменения
параметров сварочного процесса, управление перемещением дета¬
лей и позиционированием сварочных головок, связь с устройствами
отображения информации (дисплей, АЦПУ) и ЭВМ верхнего уров¬
ня, самоконтроль и контроль технологического оборудования и т.д,
В качестве элементной базы систем второго уровня целесообразно
использовать серийно выпускаемые комплекты МСУВТ, включа¬
ющие в себя одноплатную микроЭВМ, платы расширения памяти,
платы ввода-вывода, пульты, блоки питания.
Специализация МСУВТ на этом уровне осуществляется за счет
выбора требуемого комплекта плат из серийно выпускаемого набора,
6.4. АСУ ТП контактной сварки
325
специфицирования их архитектуры и дополнения модулями усиле¬
ния и согласования выходных сигналов собственной разработки.
Примером системы второго уровня является комплекс СГУ
МТМ, выполненный на базе МСУВТ В7 и предназначенный для
группового управления полуавтоматами для сварки дистанциониру-
ющих решеток.
К третьему уровню относят управляющие вычислитель¬
ные комплексы (УВК), предназначенные для управления линиями.
Это разработки единичного характера, требующие совокупности
системотехнических решений. Эти комплексы имеют иерархиче¬
скую структуру с распределенной вычислительной мощностью
п могут включать в себя элементы двух первых уровней МСУВТ.
( вязь между отдельными системами в составе УВК осуществляется
по последовательным каналам типа ИРПС и (или) дистанционным
магистралям. Проектирование ведется в основном методом проект¬
ной компоновки. Примером одной из первых систем этого уровня
является УВК линии контактной сварки боковых стен полувагонов.
Микропроцессорный контроллер ККС-01 для машин кон¬
тактной сварки. Контроллер ККС-01 предназначен для управления
точечными контактными машинами переменного тока, снабженны¬
ми тиристорным контактором и электропневмоклапанами постоян¬
ного тока. Это устройство обеспечивает выполнение следующих
функций:
• ввод и вывод на пульт в цифровой форме параметров режима
сварки;
• хранение в энергонезависимой памяти ОЗУ при отключении
питания 16 режимов сварки с 6-позиционной циклограммой или че¬
тырех режимов сварки с 19-позиционной циклограммой;
• фазовое управление тиристорным контактором, при котором
угол включения тиристоров вычисляется в каждом периоде напря¬
жения сварочной сети по сигналу рассогласования между заданным
и измеренным действующими значениями сварочного тока с автома¬
тической настройкой на текущее значение коэффициента мощности
и сопротивления постоянному току сварочного контура;
• измерение действующего значения сварочного тока в каждом
периоде напряжения сварочной сети, вычисление среднего действу¬
ющего значения тока за время нагрева и индикацию этого значения
ни позиции «Ковка»;
• точное исполнение разветвленной циклограммы сварочного
процесса, включающей в себя 19 временных интервалов, четыре
326
Глава 6. АСУ ТП сварки
из которых - токовые с возможностью раздельного регулирования
значения и длительности импульса тока и повторения импульсов
тока до 255 раз в каждом интервале. Длительность позиций цикло¬
граммы устанавливается в пределах 255 периодов напряжения сва¬
рочной сети и может быть сведена к нулю;
• компенсация износа электродов путем последовательного
увеличения уставки тока через заданное число сварок;
• контроль состояния оборудования и сварочного процесса
с выдачей на пульт диагностических сообщений;
• дистанционное управление от системы верхнего уровня,
включая прием сигналов задания номера режима, запуска сварки,
блокирования нагрева и выдачу сигналов «Отказ» и «Сварка».
По своим функциональным возможностям и технико-экономи¬
ческим показателям контроллер не уступает зарубежным системам,
таким как PS-2000 (фирма Bosch, ФРГ), СТ-222А, СУ-241 А (фирма
Miyachi, Япония) и др.
Все основные функции контроллера реализуются программны¬
ми средствами.
В состав контроллера ККС-01 входят три конструктивно за¬
конченных элемента: основной блок, блок питания и датчик тока.
Структурная схема контроллера приведена на рис. 6.19. В состав ос¬
новного блока входят три печатные платы: устройства связи с объ¬
ектом У СО, процессор и пульт. Ядро платы процессора составляет
БИС однокристальной микроЭВМ К1816Е48. Обмен информаци¬
ей между платами осуществляется по 8-разрядной шине данных
D0-D7, управляемой сигналами чтения RD, записи WR и выбора
устройства CS. Ввод и вывод дискретных сигналов проводятся че¬
рез плату УСО. На этой плате формируются сигналы управления
электропневмоклапанами К1 и К2 и тиристорным контактором КТ.
Сигнал с датчика тока, пропорциональный производной сварочного
тока /'(/), поступает на плату процессора. На плате пульта установле¬
ны псевдосенсорная клавиатура с 20 клавишами и линейка с семью
цифровыми семисегментными индикаторами. Обмен между про¬
цессором и пультом также выполняется по шине данных DO - D7.
На плате пульта формируются сигналы начальной установки Reset
и запроса на прерывание Int. С платы процессора на пульт посту¬
пают сигналы выбора режима СЮ и тактовая частота CLK. Блок
питания непосредственно включается в сварочную сеть. На выходе
блока питания формируются переменное напряжение 17,5 В и по¬
стоянное напряжение 24 В, подающиеся в основной блок. Помимо
6.4. АСУ ТП контактной сварки
327
Рис. 6.19. Структурная схема микропроцессорного контроллера ККС-01
напряжений питания в основной блок подается сигнал переменного
тока «Обм. СИ», используемый для синхронизации с сетью.
6.4.2. Управление точечной контактной сваркой
по математическим моделям
Появление быстродействующих микропроцессоров, мини-
и микроЭВМ позволило перейти к качественно новым системам
управления сварочным процессом и его контролю на основе ис¬
пользования математических моделей, которые отражают взаи¬
мосвязь параметров процесса контактной сварки с объективными
количественными оценками качества получаемого сварного соеди¬
нения. Необходимость контролировать процесс сварки и управлять
им в реальном масштабе времени налагает ограничения на степень
сложности модели. Слишком сложная модель требует большого
объема вычислений, что в условиях ограниченного быстродей¬
ствия современных управляющих ЭВМ может привести к серьез¬
ным ошибкам при эксплуатации модели.
Наиболее простыми математическими моделями сварочных про¬
цессов являются статистические модели, использование которых
328
Глава 6. АСУ ТП сварки
в настоящее время получило широкое распространение. Ведущая роль
в использовании статистических моделей для контроля процесса кон¬
тактной сварки и управления им принадлежит ИЭС им. Е.О. Патона.
Для построения статистической модели процесса необходимо
экспериментально изучить зависимость выбранного критерия каче¬
ства от параметров режима. Далее, обрабатывая экспериментальные
данные с помощью регрессионного анализа, выделяют параметры,
существенно влияющие на процесс сварки, и исключают из рассмо¬
трения параметры, влияние которых на процесс контактной свар¬
ки незначительно. Так, для сплава АМгб при толщине листа 1 мм,
сварочном токе /в = 16,0... 18,5 кА, силе сжатия Fb = 280...380 даН,
длительности импульса тока / = 0,06 с и радиусе заточки электрода
/?эл = 75 мм были построены математические модели, выявляющие
зависимость диаметра ядра с!я от параметров процесса:
dя = 0,25*3 -4,4*,2 -5,2х2-1,9*4 + 8,3*,*2 + 2,4*,*2;
с1я = 4,1*5+ 2,8*4 —3,1*1 -2,9*2;
с1я = 3,72*6 - 2,8*2 - 0,15*2;
с/я = 2,1*, - 2,6*4 + 4,9*2 - 7,6*,*2 +1,2*2*4.
Здесь
где к - число периодов промышленной частоты в импульсе свароч¬
ного тока; /св, [/ - мгновенные значения сварочного тока и напряже¬
ния между электродами.
В дальнейшем в качестве базовой математической модели для
точечной контактной сварки было принято уравнение
dя — + А{х4 + А2х6 + А3х6,
где коэффициенты А0 - А3 определяются с помощью упомянутых
выше статистических методов.
Модель проверяли при сварке алюминиевых и магниевых спла¬
вов, коррозионно-стойкой и низкоуглеродистой сталей, титана.
Средняя погрешность прогнозирования диаметра ядра не превы¬
шала 7% при изменении силы сжатия на ±20%, сварочного тока
6.4. АСУ ТП контактной сварки
329
на +5...-10%, радиуса заточки электрода на +50% и толщины из¬
делий от 1 до 3 мм. Отметим, что при переходе на другую комби¬
нацию толщин или материалов свариваемых изделий приходилось
пересчитывать коэффициенты модели, а это представляет собой тру¬
доемкую операцию. Необходимость пересчета коэффициентов явля¬
ется общим недостатком статистических моделей.
Для облегчения пересчета коэффициентов базовой математиче¬
ской модели при переходе на другие толщины свариваемых деталей
был разработан специальный алгоритм пересчета с использованием
метода изоморфных моделей. Расчет изоморфных моделей на осно¬
ве базовой математической модели осуществляется по данным изме¬
рений параметров оптимальных режимов при сварке контрольных
образцов.
Рассмотрим функциональную схему устройства для контроля
качества контактной точечной сварки легких сплавов, прогнозиру¬
ющего размеры литого соединения на основе полученных матема¬
тических моделей.
Устройство (рис. 6.20) состоит из следующих узлов: датчиков
параметров процесса сварки (/св, (У, FJ, блоков измерения и форми¬
рования основных параметров режима (/ , t , F , F, /), аналого-
мою вычислительного устройства АВУ с программным блоком БП,
аналоговым запоминающим устройством АЗУ с коммутатором К
и аналого-цифровым преобразователем АЦП, блока уставок со схе¬
мой сравнения СС, блоков цифровой и допусковой индикации, бло¬
ка управления БУ. В процессе сварки сигналы, пропорциональные
мгновенным значениям сварочного тока и напряжения между элек¬
тродами, а также усилие сжатия электродов, поступают с датчиков
на соответствующие измерительные блоки, формирующие требуе¬
мые сварочные параметры, на блок управления, синхронизирующий
работу устройства, и на АВУ, которое осуществляет расчет диаметра
ядра и глубины проплавления в соответствии с выбранной моделью.
Результаты измерений и вычислений запоминаются в АЗУ и затем
через коммутатор поочередно подаются на вход АЦП, а результа¬
ты преобразований заносятся в регистры соответствующих блоков
индикации. Устройство позволяет задавать уставки по параметрам
режима, сравнивать их с соответствующими сигналами от измери¬
тельных цепей и сигнализировать о выходе параметров за пределы
допусков.
Испытания устройства в производственных условиях при сварке
алюминиевых сплавов в диапазоне толщин 0,8... 1,5 мм показали,
330
Глава 6. АСУ ТП сварки
Рис. 6.20. Функциональная схема устройства для контроля качества
точечной контактной сварки легких сплавов на основе математической
модели
что средняя квадратичная ошибка прогнозирования диаметра ядра
не превышает 0,3 мм. Максимальная плотность ошибок прогнози¬
рования приходится на интервал 0,1 ...0,2 мм. Наибольшее расхож¬
дение не превышает 0,4 мм с вероятностью 95%.
6.5. АСУ ТП электронно-лучевой сварки
6.5.1. Состав и функциональная схема АСУ ТП
В состав автоматизированного комплекса ЭЛС входят: ЭЛУ, со¬
держащая вакуумную камеру с системой вакуумирования; сварочные
манипуляторы с управляемыми электроприводами; электронно-лу¬
чевое оборудование, содержащее энергокомплекс, электронно-луче¬
вую пушку и различные системы управления технологическим про¬
цессом ЭЛС; устройства контроля и наблюдения за процессом.
6.5. АСУ ТП электронно-лучевой сварки
331
Все эти устройства и системы должны управляться одним опе¬
ратором. Поэтому управление таким комплексом необходимо осу¬
ществлять с единого пульта, при этом все подсистемы комплекса
должны работать в автоматическом режиме. Функции оператора
сводятся к переключению режимов работы подсистем, наблюдению
за процессом и принятию решений в нестандартных ситуациях. Пе¬
речисленным требованиям отвечает микропроцессорная автомати¬
зированная система управления технологическим процессом элек¬
тронно-лучевой сварки - АСУ ТП ЭЛС.
Микропроцессорная АСУ (рис. 6.21) содержит одноплатную
' )ВМ с пультом управления ПУ и видеомонитором ВМ. МикроЭВМ
сконструирована на базе микропроцессора Т34ВМ1 и имеет объем
памяти 64 Кбайт; 8 Кбайт занято под ППЗУ, используемое для за¬
писи программы, а остальной объем занимает ОЗУ. Связь микро-
ЭВМ с внешними устройствами осуществляется через устройство
оптической развязки ОР, которое формирует две шины интерфей¬
са: 8-разрядную шину данных ШД и шину управления объектами
111УО, представляющую собой радиальную структуру индивидуаль¬
ных шин адресации и управления.
К шинам интерфейса предусмотрено подключение автономных
подсистем контроля и управления глубиной проплавления, контроля
и стабилизации диаметра пучка электронов, стабилизации скорости
сварки и блока функционального сканирования, осуществляющего
развертку технологического пучка электронов по программируе¬
мым траекториям. Указанные функциональные блоки могут иметь
различную структуру и выполняются в виде отдельных микропро¬
цессорных подсистем. Исходные данные вводятся в подсистемы
с ПУ микропроцессорной АСУ ТП. Информация о регулируемых
параметрах и режимах работы подсистем отображается на ВМ.
Одной из функций микропроцессорной АСУ является регистра¬
ция параметров процесса ЭЛС: ускоряющего напряжения, тока пуч¬
ка, скорости сварки, амплитуд сканирования по осям X и У и фокуса,
частоты сканирования. Для контроля указанных параметров и фор¬
мирования управляющих воздействий и уставок используется У СО,
в состав которого входит многоканальный АЦП и цифроаналоговые
преобразователи.
В микропроцессорной АСУ ТП слежение по линии стыка основано
на принципе предварительной записи программы по методу синхрон¬
ною детектирования. Для этой цели используется коллектор вторичных
электронов КВЭ, избирательный усилитель первой гармоники ИУ1,
Рис. 6.21. Функциональная схема микропроцессорной АСУ ТП ЭЛС
6.5. АСУ ТП электронно-лучевой сварки
333
демодулятор ДМ 1, преобразователь «напряжение - частота» ПНЧ, ре¬
версивный счетчик РСЧ и цифроаналоговый преобразователь ЦАП,
усилитель мощности УМ1, стоящий в цепи формирования тока от¬
клоняющей системы, задающий генератор ЗГ и делитель частоты ДЧ.
Цифровой код, снимаемый с регистра Р по ШД, используется для за¬
писи программы траектории стыка. В режиме воспроизведения про¬
граммы последовательность цифровых сигналов извлекается из па¬
мяти микроЭВМ, через ШД поступает на ЦАП и осуществляется
повторение записанной программы тока отклоняющей системы.
Сигнал второй гармоники, формируемый избирательным уси¬
лителем ИУ2 и демодулятором ДМ2, используется для фокусиров¬
ки пучка электронов, анализа чувствительности измерительного
устройства и отключения слежения в месте прихваток.
Для синхронизации записанной программы траектории стыка
с перемещением свариваемого изделия СД используется оптиче¬
ский датчик перемещения ДП типа ВЕ-178, у которого на один
оборот вала формируется 1 024 импульса. Формирующий пре¬
образователь ДП вырабатывает последовательность нормирован¬
ных импульсов и сигнал о направлении перемещения. Запись тра¬
ектории стыка и воспроизведение программы в процессе сварки
могут осуществляться при любом направлении перемещения
изделия.
6.5.2. Режимы работы микропроцессорной АСУ
Предусмотрены следующие основные режимы работы микро¬
процессорной АСУ ТП ЭЛ С:
• поиск стыка;
• запись траектории стыка;
• выполнение прихваток;
• сварка;
• косметическая обработка шва.
Перевод системы в указанные режимы осуществляет оператор.
В режиме поиска стыка устанавливается ток пучка 2...5 мА. Пучок
электронов программно сканируется поперек стыка в пределах откло¬
нения ±5 мм. В процессе сканирования анализируют сигнал датчика
стыка и уровень второй гармоники. Положение стыка фиксируется
в тот момент, когда показание датчика стыка равно нулю, а уровень
второй гармоники максимален. При сканировании в обратном на¬
правлении при достижении фиксированного уровня контур обрат¬
ной связи следящей системы замыкается и выполняется захват стыка.
334
Глава 6. АСУ ТП сварки
Оператор с помощью средств визуального наблюдения контролирует
захват стыка и переводит систему на следующий режим работы.
В режиме записи траектории стыка включается перемещение
изделия. Обеспечивается автоматическое слежение пучка электро¬
нов за линией стыка свариваемого изделия за счет изменения тока
в отклоняющей системе ОС, воспроизводящей положение стыка.
Цифровой эквивалент перемещения пучка записывается в ячейки
ОЗУ в моменты поступления импульсов с ДП. Всего записывается
1 024 точки программы траектории стыка. В процессе слежения осу¬
ществляются анализ чувствительности измерительного устройства
по уровню второй гармоники и прекращение слежения при чувстви¬
тельности ниже порогового уровня. На экране монитора отобража¬
ется траектория движения пучка, а также координаты свариваемого
изделия, в которых чувствительность была нормальной.
Режим выполнения прихваток реализуется по необходимости.
В этом случае при внесении в компьютер исходных данных о режи¬
мах сварки устанавливается число прихваток, их длина и ток пучка
электронов при выполнении прихватки. Прихватки равномерно рас¬
пределяются по длине линии стыка. В режиме прихваток в процессе
воспроизведения траектории стыка осуществляются ввод и вывод
рабочего тока пучка в соответствий с длиной прихваток и их числом.
В режиме сварки выполняются программный ввод и вывод тока
пучка в соответствии с заданным временем ввода и вывода, а также
стабилизация энергетических параметров пучка электронов, осу¬
ществляемая через подсистемы комплекса. При наличии аварийного
режима микропроцессорной АСУ ТП или ее подсистем предусмо¬
трено автоматическое прекращение сварки.
Ввод данных в микропроцессорную АСУ ТП ЭЛС проводит¬
ся в диалоговом режиме перед началом работы системы. При этом
вводятся данные о наименовании изделия, фамилия оператора, не¬
обходимые технические параметры работы системы в различных
режимах, тип сварного шва (кольцевой или линейный), его длина
и длина прихваток, а также допуски на технологические параметры
сварки. Система контролирует технологические параметры процес¬
са ЭЛС и регистрирует отклонения параметров, превышающие до¬
пустимые значения, а также координату стыка, где отмечались ука¬
занные отклонения. Микропроцессорная АСУ ТП предусматривает
подключение печатающего устройства для регистрации параметров
технологического процесса и возникающих отклонений параметров
с их привязкой к координатам свариваемого изделия. Эта распечатка
6.5. АСУ ТГ1 электронно-лучевой сварки
335
прилагается к технологическому паспорту изделия и используется
службой ОТК для контроля качества сварных соединений.
Система управления включает в себя микроЭВМ, пульт опера¬
тора-технолога, устройство отображения буквенно-цифровой ин¬
формации (дисплей), печатающее устройство и устройство связи
с объектом У СО.
Пульт оператора представляет собой панель с набором клавиш
и переключателей. Он позволяет вручную ввести в цифровом ви¬
де значение уставок параметров режима, координаты свариваемого
стыка, оперативно проверить и изменить программу работы ЭВМ,
осуществить пуск с любого участка программы, останов и т. п.
Оперативная информация о процессе, значения наиболее важ¬
ных текущих параметров режима сварки отображаются на дисплее.
11о командам с пульта на дисплей можно ввести информацию о лю¬
бых других параметрах установки или содержание любого участка
памяти ЭВМ при проверке и оперативной коррекции программ ра¬
боты системы.
Информация о процессе сварки регистрируется с помощью пе¬
чатающего устройства. Печатается протокол процесса сварки: дата
и время сварки, номер и тип изделия, фамилия оператора, параме¬
тры режима сварки, отклонения от нормального хода технологиче¬
ского процесса и др.
Устройство связи с объектом предназначено для двустороннего
обмена информацией между сварочной установкой и микроЭВМ.
I (ифровая ЭВМ - устройство дискретного действия, которое опе¬
рирует с двоичными переменными, имеющими одно из двух зна¬
чений - 0 или 1. Любая информация в ЭВМ представлена в виде
многоразрядного двоичного кода. Управляющие и контролируемые
переменные в сварочной установке могут быть аналоговыми, циф¬
ровыми, дискретными. Устройство осуществляет преобразование
аналоговой и дискретной информации, поступающей со сварочной
установки, в двоичные коды, по командам ЭВМ выбирает необходи¬
мый код и вводит его в ЭВМ. Кроме того, УСО принимает из ЭВМ
управляющие коды, запоминает их, преобразует в электрические
сигналы, пригодные для управления сварочной установкой, и пода¬
ет на соответствующие исполнительные устройства.
На аналоговых выходах УСО формируются управляющие на¬
пряжения (0...10 В), используемые в качестве уставок локальных
регуляторов параметров ЭЛС. В каждом из аналоговых выходных
каналов содержится регистр, в котором запоминаются поступающие
336
Глава 6. АСУ ТП сварки
из ЭВМ управляющие коды. С помощью ЦАП эти коды преобра¬
зуются в пропорциональное или аналоговое напряжение. Дискрет¬
ность изменения выходных аналоговых напряжений определяется
разрядностью соответствующих двоичных кодов. Например, для
8-разрядных двоичных кодов (8 бит) получаем 256 градаций выход¬
ного напряжения.
С помощью выходных аналоговых сигналов система управле¬
ния обеспечивает задание и программное изменение следующих
параметров:
/п - ток пучка, 8 бит (Д/п = 4 мА при максимальном токе 1 024 мА);
/б - ток бомбардировки, 5 бит (А/б = 4 мА при максимальном токе
128 мА);
/ - ток фокусировки, 12 бит (Л/фок = 0,5 мА при максимальном
токе 1 024 мА);
/от х - ток отклонения по координате х, 8 бит;
/от v - ток отклонения по координате у, 8 бит;
Ах- амплитуда тока периодического отклонения по координа¬
те х, 4 бит;
А - амплитуда тока периодического отклонения по координа¬
те^, 4 бит.
Контролируемые аналоговые параметры ЭЛУ поступают на ана¬
логовые входы У СО, где они фильтруются и нормируются (приво¬
дятся к диапазону изменения 0.. .5 В) для согласования с параметра¬
ми АЦП. После нормирования входные сигналы по командам ЭВМ
с помощью аналогового коммутатора по очереди подключаются
к входу АЦП. Выходной двоичный код АЦП, пропорциональный
входному аналоговому напряжению, поступает для дальнейшей об¬
работки в ЭВМ.
Многие исполнительные устройства установки для ЭЛС требу¬
ют двухпозиционного регулирования: «больше-меньше», «включе¬
но - выключено» и т. п. Для этих устройств необходимы дискретные
сигналы управления. Канал дискретных выходов УСО содержит
регистры, в которых запоминается поступающая из ЭВМ инфор¬
мация двухпозиционного управления. Система управления фор¬
мирует следующие управляющие дискретные сигналы: включение
тока бомбардировки (Вкл. /б); включение ускоряющего напряжения
(Вкл. £/п); включение генератора периодической развертки пучка
электронов (f )\ выбор типа развертки периодического перемеще¬
ния пучка электронов (тип развертки). Тип развертки задается че¬
тырехразрядным кодом, т. е. для этих целей используется четыре
6.5. АСУ ТП электронно-лучевой сварки
337
дискретных выхода. Четырехразрядный код позволяет задать один
из 16 типов разверток; шаг перемещения по одной из координат впе¬
ред либо назад (Ах, -Ах; Ау, -Ау; Az, -Az).
Управляющие дискретные сигналы подаются на соответствую¬
щие исполнительные устройства: регулятор тока бомбардировки,
источник ускоряющего напряжения, генератор периодического от¬
клонения пучка электронов, блоки управления шаговыми двигате¬
лями перемещения изделия (электронно-лучевой пушки) по коорди¬
натам х, у, z.
Дискретные сигналы датчиков сварочной ЭЛУ поступают в ка¬
нал дискретных входов УСО. Дискретные датчики формируют сиг¬
налы, имеющие два уровня - 0 или 1. Для контактов реле, концевых
выключателей и других аналогичных устройств - это замыкание (1)
или размыкание (0), для датчиков с электрическим выходом - высо¬
кий (1) или низкий (0) уровень выходного напряжения. В системе
управления анализируются следующие дискретные сигналы: на¬
правление отклонений пучка электронов от линии стыка сваривае¬
мых деталей (±5 ), сигнал зондирования свариваемого стыка, состо¬
яние контактов концевых выключателей предельного перемещения
изделия (х , х . , у , у . , z , z . ).
Функционирование системы управления. Перед началом ра¬
боты АСУ осуществляет автоматический самоконтроль, проверяя
но тестовой программе исправность УСО, ЭВМ, цепей управле¬
ния и контроля. Затем автоматически контролируется исправность
сварочного оборудования: целостность накала электронно-луче¬
вой пушки, исправность блока бомбардировки катода, эмиссионная
способность катода, исправность фокусировки и отклонения пучка
электронов.
Точное совмещение пучка электронов со свариваемым стыком -
одна из проблем ЭЛС. При сварке по технологическим прихваткам
и при косметической обработке расфокусированным пучком для
оплавления и сглаживания поверхности сварного шва невозмож¬
но применение устройств направления пучка электронов по линии
стыка. В этом случае применяют программное перемещение пучка
по поверхности свариваемого изделия. Система управления совмест¬
но с датчиком положения пучка относительно свариваемого стыка
позволяет автоматически формировать программу. Для этого вы¬
полняется предварительный обучающий проход свариваемого стыка
при малом токе пучка (1.. .2 мА) в режиме автоматического слежения
эн линией стыка. Система автоматически, через равные интервалы
338
Глава 6. АСУ ТП сварки
по длине шва определяет текущие координаты стыка. Чтобы не за¬
поминать чрезмерно большое количество координат, весь стык ав¬
томатически разбивается на кусочно-линейные участки, аппрокси¬
мирующие с заданной точностью криволинейный стык. Для каждого
участка достаточно занести в память ЭВМ лишь координату конца
участка (узловой точки).
В дальнейшем в процессе сварки по координатам узловых точек
ЭВМ подсчитывает координаты всех промежуточных точек с по¬
мощью линейной интерполяции. При выполнении криволинейных
швов АСУ обеспечивает постоянную контурную скорость свар¬
ки, соответствующим образом корректируя скорость перемещения
по координатам xwy.
Сравнительно большой объем оперативной памяти ЭВМ по¬
зволяет задавать программу изменения параметров режима свар¬
ки практически любой сложности. Одновременно осуществляется
допусковый контроль всех параметров технологического режима
сварки.
Режим работы АСУ (обучающий проход, выполнение техноло¬
гических прихваток, косметическая обработка) задается оператором
с пульта управления набором номера соответствующей программы.
Контрольные вопросы
1. Какие вычислительные средства используют в структуре АСУ ТП?
2. Дайте характеристику АСУ ТП с централизованным, децентрализо¬
ванным и комбинированным управлением.
3. По каким критериям оценивают качество функционирования
АСУ ТП при сварке?
4. Как модифицируется закон регулирования в АСУ ТП в зависимости
от места действия возмущений в контуре источник питания - источник на¬
грева - сварочная ванна?
5. Перечислите методы оценки влияния неконтролируемых возмуще¬
ний на качество сварки при работе АСУ ТП.
6. Приведите и охарактеризуйте структуру АСУ ТП для дуговой сварки
с математической моделью в контуре управления.
7. Перечислите основные подсистемы, входящие в структуру типовой
АСУ ТП.
8. Какие режимы при функционировании АСУ ТП дуговой сварки
предлагаются оператору? Дайте технологическую оценку этим режимам.
9. Какие технологические возможности обеспечивают автоматизиро¬
ванные сварочные комплексы при многослойной дуговой сварке непово¬
ротных стыков труб в монтажных условиях?
Контрольные вопросы
339
10. Перечислите основные узлы в составе автоматизированного сва¬
рочного комплекса для дуговой сварки и дайте расшифровку их структур¬
ного содержания.
11. Приведите и охарактеризуйте функциональную схему микропро¬
цессорной системы управления сварочным оборудованием для дуговой
сварки плавящимся электродом в защитном газе.
12. Приведите иерархию электросварочного оборудования с микро¬
процессорной техникой для контактной сварки. Перечислите технологиче¬
ские задачи, решаемые на этом оборудовании.
13. Охарактеризуйте АСУ ТП с математической моделью в контуре
управления для контактной сварки.
14. Какие основные узлы входят в структуру автоматизированного сва¬
рочного комплекса для ЭЛС?
15. Перечислите основные режимы работы АСУ ТП ЭЛС и охаракте¬
ризуйте их.
Глава 7
Роботизация процесса сварки
7.1. Особенности роботизированного процесса сварки
В результате использования робототехники в сварочном произ¬
водстве представляется возможным автоматизировать выполнение
швов любой формы, а также большого числа коротких швов, раз¬
личным образом расположенных в пространстве; выполнять дуго¬
вой сваркой швы с любой формой линии стыка в горизонтальном
(нижнем) положении. Это позволяет применять наиболее произво¬
дительные режимы сварки с формированием сварных швов с ми¬
нимальным отклонением геометрических размеров. По сравнению
с автоматической сваркой роботизация обеспечивает рост произ¬
водительности, экономию сварочных материалов, электроэнергии
и уменьшение сварочных деформаций. Сокращается потребность
в специальном сварочном оборудовании и в изготовлении специаль¬
ных и специализированных станков, установок и машин для сварки,
Проблема роботизации сварочного производства включает в се¬
бя выбор универсальных или компоновку специализированных
средств робототехники и комплексное решение технико-экономи¬
ческих вопросов, связанных с внедрением средств робототехники
на конкретном сварочном производстве.
Требования, предъявляемые к средствам роботизации свароч¬
ных процессов при различных способах сварки, обусловливаются
особенностями сварных конструкций, которые по геометрическим
признакам можно подразделить:
• на плоскостные (полотнища, панели с элементами жесткости);
• листовые типа тел вращения (резервуары, цилиндры и т. п.);
• каркасно-решетчатые (плоские и объемные фермы, каркасы ка¬
бин транспортных и сельскохозяйственных машин, каркасы шкафов,
блоков и пультов управляющей аппаратуры, ограждения и другие кон¬
струкции, состоящие из стержневых элементов различного профиля);
7. /. Особенности роботизированного процесса сварки
341
• рамные, состоящие из соединенных сваркой продольных и по¬
перечных балок, распорок и других усиливающих элементов;
• корпусные, выполняемые с использованием заготовок из ли¬
ста, сортового проката, поковок, отливок, штамповок (станины,
стойки, крупногабаритные кронштейны, корпуса редукторов, ков¬
ши экскаваторов и др.);
• детали машин (сварные валы, шкивы, шестерни, рукоятки,
рычаги, коромысла, мелкие кронштейны и т.д.).
В зависимости от вида и толщины свариваемых материалов для
изготовления перечисленных конструкций применимы способы ду¬
говой и точечной контактной сварки.
Среди сварных конструкций, изготовляемых с применением ду¬
говой сварки при использовании ручного труда, преобладают кар¬
касно-решетчатые, рамные и корпусные, а также различные детали
машин. Некоторые виды узлов этих конструкций, изготовляемых с по¬
мощью дуговой сварки, приведены в табл. 7.1. Сварные конструкции
имеют большое число коротких швов, а также швов сложной формы,
различным образом расположенных в пространстве, что затрудняет
механизацию и автоматизацию сварки традиционными методами.
Именно здесь решающая роль в освобождении человека от ручного
груда принадлежит роботам для дуговой сварки.
Таблица 7.1
Узлы, изготовляемые с применением дуговой сварки
Вид узла
Примеры
Примечание
11лоские больших
Рамы, плат¬
Производство наиболее трудо¬
1абаритов
формы, борта,
панели
емко
Пространственные
Кузова в сбо¬
Обычно состоят из плоских
больших габаритов
ре, контейне¬
ры, вагоны,
рамы тележек,
надрамники
самосвалов
панелей и поэтому поддаются
расчленению для одновременно¬
го изготовления с последующей
окончательной сборкой-сваркой.
При этом наиболее трудоемко
производство самих панелей,
а не их соединение
342
Глава 7. Роботизация процесса сварки
Окончание табл. 7.1
Вид узла
Примеры
Примечание
Детали машин
Картеры
ведущих мо¬
стов, корпуса
редукторов,
балансиры,
колеса
Характерны работа на уста¬
лостную прочность и высокая
степень ответственности кон¬
струкции, при которой разруше¬
ние сварных соединений грозит
аварией. Для обеспечения высо¬
кого качества сварки и точности
размеров свариваемые кромки
деталей перед сборкой подверга¬
ют механической обработке
Трубчатые
конструкции
Рамы мо¬
тоциклов
и складных
велосипедов,
каркасы сиде¬
ний водителей
и пассажиров,
поручни,
разветвления
трубопрово¬
дов и т. п.
Осуществляется сварка пересече¬
ний тонкостенных труб и пла¬
стин по сложной криволинейной
поверхностью. Соединения силь¬
но нагруженные и ответствен¬
ные, их выполнение зачастую
возможно лишь с изменением
режима сварки во время движе¬
ния горелки или с непрерывным
изменением их пространственно¬
го положения
Конструкции типа
кронштейнов
ИР"
Малоответственные конструкции
небольших габаритов и неслож¬
ной формы
Наибольшее число роботов требуется для дуговой сварки кон¬
струкций небольших габаритов. Вместе с тем необходимы робо¬
тотехнические комплексы (РТК) для дуговой сварки крупногаба¬
ритных конструкций типа корпусных судов, платформ тяжелых
грузовых автомобилей и других крупных транспортных средств,
доля которых в общем объеме сварочного производства относи¬
тельно невелика по сравнению с числом малогабаритных кон¬
струкций, но трудоемкость сварки составляет значительную долю
в общей трудоемкости сварочных работ. Следует отметить, что
для роботизированной сварки крупногабаритных конструкций
7. 1. Особенности роботизированного процесса сварки
343
эффективны РТК с несколькими одновременно работающими сва¬
рочными роботами.
При изготовлении сварных конструкций с помощью точечной
контактной сварки оптимальными объектами роботизации являются
тонколистовые и каркасно-решетчатые конструкции: двери, кузова
(и сборе) легковых и кабины грузовых автомобилей, кузова пасса¬
жирских вагонов, кабины, щитки, панели транспортных и сельскохо¬
зяйственных машин, каркасы и корпуса холодильников, стиральных
машин, другой бытовой техники и т. п. Большинство этих сварных
конструкций имеют средние габариты и требуют применения робо¬
тов с соответствующей рабочей зоной. Для достижения необходимой
производительности такие конструкции, как кузова и кабины авто¬
мобилей, должны свариваться одновременно несколькими роботами.
Для сварки конструкций типа кузовов пассажирских вагонов и авто¬
бусов требуются портальные РТК достаточно больших габаритов.
При дуговой сварке для выполнения швов необходимы пере¬
мещения рабочей части сварочного инструмента относительно из¬
делия и их взаимная ориентация, а также ориентация соединения
и зоне сварки относительно направления силы тяжести. Наиболее
интенсивные режимы дуговой сварки со свободным формировани¬
ем, которые обеспечивают максимальную производительность при
требуемом качестве шва, могут быть реализованы при выполнении
процесса в нижнем положении или с определенным отклонением
от нижнего положения, например при сварке на спуск. Поэтому ма¬
нипуляционные системы РТК для дуговой сварки должны ориен¬
тировать свариваемую конструкцию и сварочный инструмент пери¬
одически или непрерывно во время сварки таким образом, чтобы
обеспечивалось выполнение швов в оптимальном положении. В об¬
щем случае сварки швов сложной формы - при двух ориентирующих
степенях подвижности манипулятора свариваемого изделия - мани¬
пулятор сварочного инструмента должен иметь не менее пяти сте¬
пеней подвижности при осесимметричном сварочном инструменте
и не менее шести - при неосесимметричном (например, при сварке
иенлавящимся электродом с присадкой, подаваемой сбоку). Таким
образом, манипуляционная система РТК для дуговой сварки одно¬
го изделия одним сварочным инструментом может иметь семь-во¬
семь степеней подвижности, т.е. больше, чем у такого сложного ви¬
да технологического оборудования, как металлорежущие станки.
В общем случае точечная контактная сварка швов сложной фор¬
мы требует применения манипуляторов клещей с шестью степенями
344
Глава 7. Роботизация процесса сварки
подвижности, так как сварочные клещи - инструмент неосесимме¬
тричный (из-за наличия элементов, соединяющих электроды ме¬
ханически). Тем не менее во многих конкретных случаях удается
осуществить сварку с помощью манипулятора клещей, имеющего
пять степеней подвижности, благодаря тому, что допускаются зна¬
чительные отклонения плоскости симметрии клещей от перпенди¬
кулярности к линии стыка (до 45°).
Во всех случаях часть степеней подвижности сварочного ин¬
струмента относительно изделия, принципиально необходимых для
выполнения сварки, можно реализовать не манипулятором инстру¬
мента, а манипулятором изделия. Такие решения встречаются в спе¬
циализированных РТК для сварки.
Точечная контактная сварка может выполняться в любом про¬
странственном положении. Поэтому манипуляторы изделия приме¬
няются реже и в основном для того, чтобы сделать все точки сварки
доступными для сварочного инструмента.
К специфическим особенностям объектов сварочного произ¬
водства можно отнести невысокую точность изготовления сварива¬
емых элементов (резки) и их сборки под сварку, а также сварочные
деформации. Совместное воздействие этих факторов вызывает су¬
щественные случайные отклонения линии стыка свариваемых эле¬
ментов и геометрических параметров соединения, подготовленного
под сварку, от расчетных (программных). Следует отметить: дуговая
сварка отличается от резки тем, что при резке траектория движе¬
ния инструмента относительно изделия и режимы обработки пер¬
вичны, а форма и размеры обработанного изделия вторичны, тогда
как при сварке форма, размеры и положение заготовок первичны,
а траектория инструмента и режимы сварки вторичны, они зависят
от случайных отклонений формы, размеров и положения сваривае¬
мых заготовок. Когда указанными отклонениями нельзя пренебречь,
необходимо применение методов и средств автоматической коррек¬
ции траектории движения сварочного инструмента относительно
изделия (т. е. геометрическая адаптация) и параметров режима свар¬
ки (т. е. технологическая адаптация) в отношении каждого изделия
данного типа и исполнения. Такая коррекция осуществляется по ре¬
зультатам измерения каждого изделия в процессе сварки или до ее
начала. В первом приближении принимают, что при дуговой сварке
допустимое отклонение электрода от линии соединения свариваемых
элементов не должно превышать 0,5d {d - диаметр электродной про¬
волоки) при сварке без колебаний и J - при сварке с колебаниями
7. У. Особенности роботизированного процесса сварки
345
электрода. Современные роботы для дуговой сварки обеспечивают
повторяемость траектории с погрешностью не более 0,1 мм.
При точечной контактной сварке к совмещению электродов и ли¬
нии стыка предъявляют менее жесткие требования. Современные
роботы обеспечивают повторяемость запрограммированных поло¬
жений электродов сварочных клещей с погрешностью 0,5 мм.
Условия, в которых работают средства роботизации сварки, ха¬
рактеризуются высокой температурой вблизи зоны сварки, мощ¬
ным нестационарным электромагнитным и световым излучением,
разбрызгиванием расплавленного металла и защитных материалов,
интенсивным выделением аэрозолей, пыли, агрессивных газов (при
дуговой сварке). Поверхности изделия, положение которых требует¬
ся измерять для коррекции траектории и режима сварки, могут быть
покрыты окалиной, на них могут быть заусенцы, задиры и прилип¬
шие брызги, атакже протеки металла. Все это существенно усложня¬
ет функционирование манипуляционных систем, средств измерения
п управления, ограничивает их выбор как по принципу действия, так
и по конструктивному исполнению и вызывает необходимость при¬
нятия специальных схемных и конструктивных мер для обеспечения
надежной работы оборудования.
Экономические особенности внедрения средств роботизации
дуговой и точечной контактной сварки определяются следующим
обстоятельством. Подавляющее большинство разновидностей ду¬
говой сварки может выполняться вручную или с применением сва¬
рочных полуавтоматов, представляющих собой, по существу, меха¬
низированный сварочный инструмент. Точечная контактная сварка
осуществляется сварочными клещами, которые также представля¬
ют собой механизированный сварочный инструмент, либо с помо¬
щью одно- или многоточечной стационарной машины. Стоимость
гакого сварочного оборудования, за исключением многоточечных
машин для точечной контактной сварки, достаточно низка, в то вре¬
мя как для роботизации сварочной операции требуется комплекс
оборудования, стоимость которого вместе со средствами его авто¬
матизации во много раз больше, чем механизированного сварочного
инструмента или одноточечной стационарной машины для точеч¬
ной контактной сварки. Указанное обстоятельство обусловливает
необходимость поиска и применения простых, недорогих и в то же
время типовых технических решений по роботизации сварочных
операций. Одним из таких решений является использование агре¬
гатно-модульного принципа создания РТК и их составных частей.
346
Глава 7. Роботизация процесса сварки
Важным фактором повышения эффективности РТК для сварки
является также скорость выполнения вспомогательных действий
и приемов. Например, перемещение сварочного инструмента (горел¬
ки, сварочных клещей) от одного места (или точки) сварки к друго¬
му выполняется квалифицированным рабочим за очень малое время,
прежде всего за счет интуитивного выбора оптимальных движений
рук и тела в целом. Поэтому в РТК должны предусматриваться высо¬
кие скорости перемещений сварочного инструмента и изделия, ма¬
лое время разгона и торможения и оптимальные законы движения,
обеспечивающие минимальные рывки и удары при движении. Это
особенно важно при точечной контактной сварке, поскольку форми¬
рование одной точки обычно занимает менее 1 с и основную часть
длительности операции занимает время перемещения клещей меж¬
ду точками. Максимальная скорость установившегося движения го¬
релки в современных РТК составляет примерно 1,5 м/с, клещей --
3 м/с, изделия при его переориентации - 90 °/с.
7.2. Состав робототехнических комплексов
Робототехнический комплекс для сварки состоит из манипуляцион¬
ной системы, сварочного оборудования, устройства управления и изме¬
рительных устройств подсистемы геометрической и технологической
адаптации (рис. 7.1). В манипуляционную систему, в свою очередь,
входят манипулятор для сварочного инструмента (сварочной горелки)
и манипулятор для свариваемого изделия. В составе одного РТК мо¬
жет быть несколько манипуляторов для инструмента и (или) изделия.
Перемещаемые измерительные устройства системы адаптации могут
быть либо неподвижны относительно горелки или изделия, либо пере¬
мещаться дополнительными звеньями манипуляционной системы.
Распределение функций между манипулятором инструмента
и манипулятором изделия зависит от способа осуществления их от¬
носительного перемещения, который определяется способом свар¬
ки, размерами и массой изделия, формой и расположением сварных
швов, организацией сварочных операций и всего производственного
процесса.
Возможны следующие способы осуществления относительного
перемещения сварочного инструмента и изделия манипуляционной
системой РТК:
1) изделие не изменяет положение в пространстве в течение всей
операции (остается неподвижным или равномерно перемещается
7.2. Состав робототехнических комплексов
347
Рис. 7.1. Состав РТК для сварки
на конвейере), а сварочный инструмент выполняет все перемеще¬
ния, необходимые для сварки. Данный способ используется, когда
все швы доступны для манипулятора (манипуляторов) инструмента
или когда переориентация изделия затруднена, например при точеч¬
ной контактной сварке кузовов легковых автомобилей;
2) положение изделия в пространстве периодически изменяется
с помощью манипулятора изделия, выполненного в виде кантовате¬
ля или позиционера, но во время отдельных сварочных переходов
изделие остается неподвижным, а сварочный инструмент выполня¬
ет все перемещения, необходимые для сварки, с учетом смещений
изделия при его переориентации. Этот способ применяют, когда
необходима и достаточна периодическая переориентация изделия;
в настоящее время он наиболее распространен при роботизации опе¬
раций дуговой сварки;
3) изделие и сварочный инструмент непрерывно находятся в дви¬
жении, обеспечивая перемещение сварочного инструмента вдоль ли¬
нии стыка с одновременным поддержанием зоны сварки во всех точ¬
ках шва в заданном (например, нижнем) положении. Способ требует
контурного взаимно согласованного управления звеньями манипуля¬
торов инструмента и изделия, т. е. наиболее сложной системы управ¬
ления. Он является оптимальным для дуговой сварки изделий малых
и средних габаритов со швами сложной формы, так как позволяет про-
нодить сварку всех участков в оптимальном (например, нижнем) по¬
ложении, когда допускаются наиболее интенсивные режимы сварки
при обеспечении наилучших условий формирования сварного шва;
348
Глава 7. Роботизация процесса сварки
4) изделие выполняет все перемещения, необходимые для свар¬
ки, а сварочный инструмент закреплен неподвижно. В общем случае
этот способ требует применения манипулятора изделия с пятью-ше¬
стью степенями подвижности, т.е. использования промышленно¬
го робота в качестве манипулятора изделия. Применение способа
ограничивается грузоподъемностью современных роботов. Он при¬
меним при дуговой сварке достаточно жестких конструкций ком¬
пактной формы, не требующих крепления в сложных и тяжелых
сборочно-сварочных приспособлениях. Дуговая сварка при этом вы¬
полняется с помощью стационарно закрепленного сварочного аппа¬
рата, а точечная контактная - с помощью стационарной точечной
машины или неподвижно установленных сварочных клещей. Пре¬
имуществом способа является то, что один и тот же промышленный
робот выполняет как загрузочно-разгрузочные операции, так и сва¬
рочные и вспомогательные перемещения.
«Идеальный» интеллектуальный сварочный РТК по предъявле¬
нии ему конструкции, подлежащей сварке (в пределах определен¬
ного класса конструкций), должен без участия человека выбрать
последовательность наложения швов, выработать программу не¬
обходимых относительных перемещений сварочного инструмента
и изделия, а также программу изменения параметров процесса свар¬
ки с учетом реального положения в рабочей зоне каждого изделия
и фактических геометрических параметров соединения (зазор, сече¬
ние разделки и др.), подготовленного под сварку (см. рис. 7.1). Одна¬
ко доступные в настоящее время для потребителей сварочные РТК
не могут выбирать последовательность сварки и требуют детально¬
го задания программы работы. Только некоторые модели роботов
могут решать частные, наиболее простые задачи адаптации, т. е. кор¬
рекции программы перемещений и программы изменения параме¬
тров режима для компенсации случайных отклонений линии стыка
свариваемых элементов и геометрических параметров соединения,
подготовленного под сварку, от программных значений. Все это зна¬
чительно сужает область применения роботов для дуговой сварки.
Несовершенство подсистемы адаптации, прежде всего той ее ча¬
сти, которая должна воспринимать информацию об изделии, в со¬
временных РТК компенсируется участием оператора в создании де¬
тальной программы сварки. Однако и в таких «упрощенных» РТК
требуется применение весьма сложных технических средств с развет¬
вленной системой получения информации о текущем состоянии всех
элементов РТК и с развитой подсистемой управления комплексом.
7.3. Манипуляционные системы робототехнических комплексов
349
7.3. Манипуляционные системы
робототехнических комплексов
Манипуляторы сварочного инструмента. В качестве манипу¬
лятора сварочного инструмента (сварочной горелки - для дуговой,
клещей - для точечной контактной сварки) обычно используется
сварочный робот, представляющий собой многозвенный манипуля¬
тор с системой программного управления перемещениями звеньев.
Манипулятор сварочного инструмента воспринимает нагрузку,
связанную с перемещением сварочной горелки или клещей с комму¬
никациями, измерительных устройств подсистемы адаптации, а так¬
же силы сопротивления изгибу и скручиванию сварочных кабелей
н других коммуникаций, подводимых к сварочному инструменту. По-
>тому грузоподъемность роботов для дуговой сварки обычно состав¬
ляет 5... 10 кг, а роботов для точечной контактной сварки - 50.. .90 кг.
Манипуляторы сварочного инструмента в структуре РТК ре-
ил изуют переносные и ориентирующие перемещения сварочного
инструмента.
Механизмы манипулятора для переносных перемещений сва¬
рочного инструмента строят в различных системах координат:
прямоугольной, цилиндрической, двухполярной цилиндрической,
однополярной и двухполярной (антропоморфной) сферическими,
рычажной, ангулярной. На рис. 7.2 и далее для обозначения посту¬
пательных перемещений, осуществляемых вдоль осей координат,
использованы символы X, Y, Z, для вращательных перемещений во¬
круг осей, параллельных X, Y, Z, - символы А, В, С соответственно,
а для вращательных движений вокруг произвольно расположенных
или меняющих свою ориентацию относительно осей X, Y, Z- сим¬
волы D, Е (рис. 7.3 - 7.5). Наибольшее распространение для дуговой
сварки получили РБК с прямоугольной (рис. 7.2, а, б) и сферической
(рис. 7.2, д, е) системами координат переносных движений. Для то¬
чечной контактной сварки чаще других применяют РТК с однопо¬
лярной (см. рис. 7.2, д) и двухполярной (см. 7.2, е) сферическими
системами координат переносных движений.
Манипуляторы с прямоугольной системой координат при мо¬
дульной конструкции могут быть реализованы в наибольшем ко¬
личестве вариантов. Направления переносных движений мани¬
пуляторов параллельны линиям стыка или плоскостям, в которых
расположены швы большинства сварных конструкций, что упроща¬
ет процедуру обучения, систему управления и средства адаптации.
350
Глава 7. Роботизация процесса сварки
Рис. 7.2. Структурные схемы механизмов переносных перемещений сва¬
рочного инструмента с прямоугольной (а, б), цилиндрической (в), двухпо¬
лярной цилиндрической (г), однополярной (д) и двухполярной (е) сфери¬
ческими системами координат переносных движений
Они позволяют обслуживать большие рабочие зоны, что особенно
важно при сварке одним роботом изделий больших габаритов. Недо¬
статки этих манипуляторов: значительная металлоемкость; большое
рабочее пространство; необходимость в механизмах, преобразую¬
щих вращательное движение в поступательное, и устройствах для
защиты прямолинейных направляющих.
Манипуляторы с двухполярной сферической антропоморфной
системой координат имеют небольшую металлоемкость, малые соб¬
ственные габаритны, простые и компактные механизмы привода.
Им не нужны механизмы и направляющие прямолинейного пере¬
мещения, а следовательно, и защита от внешних воздействий. Не¬
достатки таких манипуляторов: невозможность обслуживания боль¬
ших рабочих пространств и неизбежное повышение требований
к точности передач при увеличении размеров рабочего пространства.
С совершенствованием методов и технических средств управле¬
ния координатами звеньев манипуляционных систем РТК для сварки
7.3. Манипуляционные системы робототехнических комплексов
351
такие преимущества прямоугольной системы координат, как парал¬
лельность осей координат линиям стыка и связанные с этим упроще¬
ния процедуры обучения, системы управления и средств адаптации,
теряют решающее значение. Современные системы управления ма¬
нипуляторами с антропоморфной (и любой другой) структурой по¬
зволяют оператору при обучении осуществлять прямолинейные пе¬
ремещения рабочего органа вдоль осей координат в привычной для
человека декартовой системе за счет автоматического согласования
работы приводов всех звеньев антропоморфного манипулятора. По¬
этому преимущества манипуляторов с антропоморфной системой
координат приобретают решающее значение. Например, небольшие
собственные габариты антропоморфных манипуляторов делают их
особенно удобными при сварке небольших изделий или выполнении
отдельных швов (участков швов) изделий средних и больших габа¬
ритов. В последнем случае одно изделие может одновременно свари¬
ваться несколькими РТК, что позволяет осуществлять роботизацию
так называемой многоголовочной сварки.
При сварке изделий средних и крупных габаритов, когда нецелесо¬
образно производить их одновременную сварку несколькими робота¬
ми, РТК с прямоугольной структурой остаются предпочтительными.
И этом случае большие собственные габариты робота соизмеримы с га¬
баритами изделия. Известны также манипуляторы сварочного инстру¬
мента, в которых сочетаются прямолинейные перемещения с переме¬
щениями, осуществляемыми антропоморфными устройствами. Такие
решения позволяют получить большие зоны обслуживания при ис¬
пользовании только одного механизма прямолинейного перемещения.
Манипуляторы с прямоугольной системой координат могут
иметь различную компоновку (см. рис. 7.3). Основное преимуще¬
ство компоновки портального типа (рис. 7.3, а) - расположение всех
направляющих выше уровня сварки, что обеспечивает их надежную
защиту от механических повреждений и забрызгивания. Кроме то¬
го, при данной компоновке остается свободной нижняя часть про¬
странства между опорами манипулятора сварочного инструмента,
где могут быть расположены технические средства подачи заготовок
на сварку и отвода изделия после сварки. Такая компоновка наибо¬
лее часто встречается в обычных установках для дуговой сварки.
Недостатки этой компоновки: повышенная металлоемкость, не¬
обходимость площадки для обслуживания высоко расположенных
механизмов, усложнение механизма уравновешивания вертикально
перемещающихся частей.
352
Глава 7. Роботизация процесса сварки
Рис. 7.3. Компоновочные схемы манипуляторов сварочного инструмента
с прямоугольной системой координат переносных движений:
а - портальная с неподвижным порталом; б - напольная; в - туннельная; г - пор¬
тальная с подвижным порталом
Для манипуляторов горелки с небольшой рабочей зоной могут
применяться компоновки с напольным (нижним) расположением мо¬
дуля перемещения по первой от основания координате (рис. 7.3, б).
При сварке изделий на конвейере можно рекомендовать ком¬
поновку туннельного типа (рис. 7.3, в), предусматривающую свар¬
ку одного изделия с трех сторон одновременно тремя сварочными
7.3. Манипуляционные системы робототехнических комплексов
353
инструментами. Эта компоновка достаточна жесткая, но доступ
к изделию при обучении и для отладки процесса сварки затруднен.
При дуговой сварке изделий больших габаритов, например в су¬
достроении, целесообразно использовать компоновку манипулято¬
ра, показанную на рис. 7.3, г. Перемещение тяжелого портала может
быть лишь установочным (с позиционным управлением), а сварка
отдельных участков изделия выполняется при неподвижном порта¬
ле при перемещении по трем координатам с помощью механизмов
переносных движений собственно манипулятора горелки. При боль¬
ших размерах портала целесообразно использовать на одном порта¬
ле одновременно несколько манипуляторов горелки.
Манипуляторы с антропоморфной системой координат мож¬
но устанавливать на полу в нижнем положении (см. рис. 7.4, а) или
на металлоконструкциях в потолочном положении (рис. 7.4, б). Для
получения зоны обслуживания, вытянутой вдоль прямой, антропо¬
морфный манипулятор устанавливают на модуль прямолинейного
перемещения, расположенный на полу или на портале.
Ориентирующими движениями манипулятора сварочного ин¬
струмента являются одно - три вращательных движения, осущест¬
вляемых вокруг непараллельных осей (рис. 7.5). Иногда в блок
механизмов ориентирующих перемещений встраивают механизм
поступательного движения (рис. 7.5, а), который обеспечивает
Рис. 7.4. Компоновочные схемы манипуляторов сварочного инструмента
с двухполярной сферической системой координат переносных движений:
а - напольная; б - потолочная
Рис. 7.5. Структурные схемы механизмов ориентирующих перемещений
манипулятора сварочного инструмента с одной (а), двумя (б-г) и тре¬
мя (б)) ориентирующими степенями подвижности
выполнение прямолинейных и круговых угловых швов на пло¬
скости при относительно простой системе управления (числовой
позиционной или даже цикловой). Если оси всех ориентирующих
вращений проходят через точку сварки (рис. 7.5, г), то переносные
координаты не зависят от ориентирующих. В результате упрощает¬
ся задача автоматического управления манипуляционной системой:
снижаются требования к точности обработки ориентирующих дви¬
жений, уменьшаются наибольшие рабочие скорости переносных
движений, упрощаются процедура обучения и система управления
робота.
При сварке неплавящимся электродом с присадкой, а также при
использовании датчиков текущей адаптации многих типов требу¬
ются трехкоординатные механизмы ориентирующих движений для
поворота горелки вокруг ее оси. Сочетание трех вращений вокруг
непараллельных осей (рис. 7.5, д) обеспечивает необходимую ори¬
ентацию горелки также и относительно ее оси.
Блочно-модульный принцип позволяет для каждого рабочего ме¬
ста в зависимости от конкретной технологической задачи применять
оптимальную по структуре и сложности специализированную мани¬
пуляционную систему (рис. 7.6) и, следовательно, оптимальный тип
привода и наиболее подходящую по структуре и функциональным
возможностям систему управления, т. е. создавать роботизированные
7.3. Манипуляционные системы робототехнических комплексов
355
Рис. 7.6. Примеры манипуляционных систем оборудования:
а в- для сварки плоских деталей, неповоротных стыков труб и изделий сложной
геометрии соответственно; г - для выполнения швов в труднодоступных местах
рабочие места с определенным уровнем специализации. Специ¬
ализированные РТК блочно-модульной конструкции применяют
а крупносерийном и массовом производствах прежде всего для свар¬
ки изделий, требующих перемещения сварочного инструмента с од¬
ной - четырьмя степенями подвижности. Функционально недели¬
мые универсальные сварочные работы с пятью (и более) степенями
подвижности и позиционной или контурной системой управления
преимущественно используют при частой смене объектов производ¬
ства (мелкосерийного и серийного, а также многономенклатурного
крупносерийного) для сварных изделий со швами сложной формы.
Манипуляторы изделия. Манипуляторы изделия - менее уни¬
версальные элементы РТК для сварки, чем манипуляторы свароч¬
ного инструмента. Их кинематическая структура и компоновка су¬
щественно зависят от формы и размеров изделия, а также от формы
и расположения линий стыка свариваемых элементов. Манипуля-
юры изделия чаще всего выполняют в виде одно- или двухкоорди¬
натных кантователей (позиционеров) с периодическим изменением
положения изделия либо одно- или двухкоординатных вращателей
с непрерывным изменением координат изделия для поддержания
356
Глава 7. Роботизация процесса сварки
зоны сварки в нижнем положении при выполнении швов на поверх¬
ностях сложной формы. Манипулятор изделия может вообще отсут¬
ствовать, например, при сварке на конвейере. На рис. 7.7, а изобра¬
жена схема манипуляционной системы с однокоординатным, а на
рис. 7.7, б - с двухкоординатным манипулятором изделия. При не¬
обходимости можно использовать дополнительную опору второго
конца изделия (показана штриховой линией на рис. 7.7, б).
Во многих случаях предусматривается использование РТК для
сварки в виде автономного, не полностью автоматизированного рабо¬
чего места, если необходимо участие оператора в установке, сборке
и закреплении заготовок, а также в снятии изделия. В этих случаях
Рис. 7.7. Структурные схемы манипуляционных систем одноместных
(а-в) и двухместных (г) РТК
7.3. Манипуляционные системы робототехнических комплексов
357
целесообразно применять РТК с двух- или многопозиционным столом
либо барабаном (рис. 7.7, в) и двухместные РТК (рис. 7.7, г). На рис. 7.7
во всех компоновках изображена схема манипулятора сварочной го¬
релки, соответствующая рис. 7.2, б, однако манипулятор может иметь
другую структуру (см. рис. 7.2). В двухместном РТК в то время пока
на одном из манипуляторов ведется сварка, на втором выполняются
загрузочно-разгрузочные, сборочные, прихваточные и другие вспо¬
могательные работы. При использовании РТК с двухпозиционным
поворотным столом или барабаном обеспечивается совмещение вре¬
мени сварки на одной позиции с временем сборочных, прихваточных
и других вспомогательных работ на второй позиции. В каждой по¬
зиции может быть предусмотрено закрепление изделий неподвижно
или на одно- либо двухкоординатном манипуляторе изделия.
Преимущество двухместных компоновок - применение двух от¬
дельных, не связанных между собой, манипуляторов изделия. Одна¬
ко при этом оператор вынужден попеременно перемещаться от од¬
ного рабочего места к другому. Кроме того, необходимо исключить
возможность перемещения сварочного инструмента в зону действия
оператора. Двухместную компоновку целесообразно применять при
сварке тяжелых изделий средних и крупных габаритов.
Преимущества компоновки РТК с двухпозиционным столом или
барабаном - постоянное место для оператора и разделение в про¬
странстве рабочей зоны манипулятора сварочного инструмента
и зоны обслуживания оператора. Однако в комплексе появляется
дополнительный механизм для поворота стола или барабана в опре¬
деленную позицию. Компоновка РТК с двухпозиционным столом
наиболее целесообразна для легких изделий, преимущественно не¬
больших габаритов. Поворотные барабаны можно применять для
сварки длинных изделий типа балок.
Важнейшим элементом манипуляторов сварочного инструмента
и изделия являются приводы перемещения звеньев манипуляцион¬
ной системы, так как они определяют точность исполнения програм¬
мы движений и в значительной степени производительность РТК.
В современных РТК скорость перемещения рабочих органов может
изменяться от 0,5... 1,5 м/с при маршевых перемещениях сварочно¬
го инструмента относительно изделия (подвод и отвод инструмента,
холостые перемещения инструмента между отдельными швами или
точками) до долей миллиметра в 1 с (по отдельным координатам) -
при дуговой сварке. Поэтому приводы современных РТК для сварки
имеют диапазон регулирования (отношение максимальной скорости
358
Глава 7. Роботизация процесса сварки
привода к минимальной), до 104 в лучших моделях до 2 • 104, и их
параметры обеспечивают высокую статическую и динамическую
точность. Для этого полоса пропускания частот современных при¬
водов роботов должна быть не менее 50 Гц (в лучших образцах она
достигает 120 Гц и более).
Наиболее распространенные типы приводов - тиристорные,
транзисторные, электроприводы с высокомоментным двигателем
постоянного тока.
Кроме приводов на основе высокомоментных двигателей в зве¬
ньях манипуляционных систем роботов для дуговой сварки могут
быть эффективно использованы приводы с вентильными двигателя¬
ми (бесколлекторные) и с асинхронными двигателями. В асинхрон¬
ном глубокорегулируемом приводе с частотно-токовым управлением
применяют простые, недорогие и очень надежные в эксплуатации
трехфазные асинхронные двигатели переменного тока. Однако
преобразователь этого привода более сложный и дорогостоящий,
чем привода на основе высокомоментных двигателей постоянного
тока. Тем не менее асинхронный регулируемый привод с частот¬
но-токовым регулированием является перспективным.
Современный электропривод, который можно использовать в ка¬
честве привода звеньев манипуляционной системы робота для ду¬
говой сварки, должен иметь наименьшие габариты. Это относится
к электромеханической части и полупроводниковому преобразова¬
телю. Малые габариты двигателей достигаются применением вы¬
сокоэнергетических постоянных магнитов и высококачественных
изоляционных материалов, совершенствованием охлаждения. Для
исключения тахогенератора из состава привода сигнал, пропорцио¬
нальный частоте вращения, получают от датчика положения ротора
двигателя или приводимого звена манипуляционной системы. Габа¬
риты тиристорных и транзисторных преобразователей уменьшаю'!,
используя элементы с высокой степенью интеграции и малогабарит¬
ные силовые полупроводниковые приборы.
Современные преобразователи приводов небольшой мощности
выполняют на одной печатной плате.
В манипуляционных системах сварочных роботов применяют
также дискретный (шаговый) привод, который может быть двух ти¬
пов: 1) с силовым шаговым двигателем; 2) с управляющим шаговым
двигателем и усилителем крутящего момента или тягового усилия
(чаще всего гидравлическим). Преимущества шагового привода -
простота, небольшая стоимость и достаточно высокая надежность,
7.3. Манипуляционные системы робототехнических комплексов
359
а основной недостаток - невосполнимая потеря информации о про¬
странственном положении.
В манипуляционных системах сварочных РТК применяют также
гидравлический привод. Он позволяет относительно просто полу¬
чить большой диапазон регулирования, а его динамические харак¬
теристики наиболее полно отвечают требованиям, предъявляемым
к приводам манипуляционных систем роботов. Однако гидравли¬
ческий привод имеет эксплуатационные недостатки: нагрев масла
и необходимость в охлаждающих устройствах; сложность подвода
и отвода масла к последним звеньям многозвенных манипуляторов;
утечки масла, особенно с учетом того, что попадание масла в зону
сварки приводит к образованию дефектов сварного шва. Гидрав¬
лический привод применяют в роботах с большой грузоподъемно¬
стью, например для точечной контактной сварки клещами, а также
для манипуляторов с обратимой кинематикой, которая используется
мри непосредственном обучении робота перемещением его рабоче¬
го органа рукой оператора.
Пневматический привод применяют в манипуляторах сварочных
ГТК только для звеньев, выполняющих периодическое позицирова-
мие в ограниченное число позиций, чаще всего в две. Управление по¬
ложением осуществляется с применением путевых переключателей
м жестких упоров.
Динамика манипуляторов при работе РТК. При изучении ди¬
намики манипуляционных РТК необходимо выделить основное дви¬
жение. Обычно на основное движение, которое получают в результате
изучения абсолютно жесткой схемы робота, накладываются колеба¬
ния, обусловленные упругостью звеньев кинематической цепи. В не¬
которых случаях они могут влиять на точность позиционирования.
Уют важный параметр РТК определяет точность выхода рабочего
органа манипулятора в заданные точки и точность воспроизведения
заданной траектории. При манипулировании важно, в частности,
строить траектории, обеспечивающие гарантированный обход пре¬
пятствий. Значительно большая точность позиционирования требует¬
ся при захвате предметов из накопительных устройств и передаче их
и зону обработки. При выполнении роботом основных технологиче¬
ских операций точность позиционирования должна соответствовать
техническим требованиям на обработку или сборку изделий.
Рассмотрим динамику манипулятора РТК на примере манипу¬
лятора для точечной контактной сварки (самый сложный и трудный
режим работы робота).
360
Глава 7. Роботизация процесса сварки
Рис. 7.8. Структурная схема
манипулятора для одной
координаты
Структурная схема манипулятора с приводом для одной коорди¬
наты (рис. 7.8) в самом общем случае может быть представлена дву¬
мя звеньями: звеном привода и промежуточным звеном ПЗ, связы¬
вающим привод П с рабочим органом РО. Специфика конструкции
состоит в том, что ни при разомкнутой шаговой системе привода,
ни при замкнутой следящей системе рабочий орган манипулятора
датчиком обратной связи ДОС не охватывается. Задаваемое управ¬
ляющим сигналом U перемещение отрабатывается приводом на вы¬
ходе силового элемента, а не рабочего органа. Отличие исполни¬
тельного движения X от отрабатываемого приводом движения ср
определяется динамическими свойствами механической конструк¬
ции промежуточного звена.
В сферической или цилиндрической системах координат та¬
кой механической конструкцией является консоль, несущая на сво¬
бодном конце кисть с рабочим органом и перемещаемая приводом
со стороны своего закрепления.
Подобная механическая конструкция представляет собой низ¬
кочастотную колебательную систему с невысоким коэффициентом
демпфирования, переходный процесс которой при остановке приво¬
да проявляется в виде низкочастотных затухающих колебаний. Ко¬
лебания рабочего органа при подходе к позиции для сварки вносят
динамическую составляющую ошибки позиционирования и оказы¬
ваются существенной помехой при быстром темпе смены позиций.
Именно они лимитируют скорость обработки при выполнении робо¬
том точечной контактной сварки.
Изложенное выше можно пояснить на примере перемещения
сварочных клещей от точки к точке с постоянной скоростью. Оста¬
новка движения, совершаемого со скоростью v, вызовет в этом слу¬
чае затухающие колебания.
Зависимость амплитуды колебаний от скорости сварки имеет вид
А = - е~^1А
(60/п - т)со
где L - расстояние между точками; п - темп сварки (число точек,
выполняемых за 1 с); т - время сварки одной точки; со - круговая
7.3. Манипуляционные системы робототехнических комплексов
361
частота собственных колебаний конструкции; \|/ - коэффициент
потерь.
Таким образом, управление движением путем простого включе¬
ния и выключения привода вызывает появление затухающих коле¬
баний, начальная амплитуда которых при заданном режиме сварки
однозначно определяется частотой со собственных колебаний и ко¬
эффициентом потерь а.
Для количественной оценки примем следующие значения рас¬
сматриваемых величин: расстояние между сварными точками L =
- 50 мм, время сварки одной точки т = 0,35 с; круговая частота соб¬
ственных колебаний промежуточной механической конструкции
о) = 40 с-1; коэффициент потерь \|/ = 0,2.
Результаты расчета показывают, что амплитуда колебаний, а зна¬
чит, и динамическая ошибка возрастают с увеличением темпа свар¬
ки п (при п—\1 точек/с, Ат = 4 мм). Уже при сравнительно умерен¬
ном темпе {п = 1 точка/с) вибрация сварочных клещей становится
недопустимой.
Для гашения вибрации имеется несколько путей: охват рабочего
органа манипулятора корректирующими обратными связями; выпол¬
нение конструкции манипулятора более жесткой, с тем чтобы повы¬
сить частоту ее собственных колебаний; наконец, регламентация зако¬
на движения, т.е. запрограммированное изменение скорости привода
на протяжении каждого перехода от точке к точке. Первые два спосо¬
ба трудноосуществимы. Охват рабочего органа манипулятора обрат¬
ными связями приведет к значительному усложнению всего робота.
11овышение жесткости манипулятора, как правило, влечет за собой
утяжеление его конструкции и, главное, не может дать существенно¬
го выигрыша. Самая эффективная мера здесь - регламентация зако¬
на движения, которую можно осуществить с помощью специальных
средств, вводимых в систему управления роботом.
Обычно для уменьшения амплитуды колебаний применяют про¬
граммированные разгон и торможение привода, в частности пере¬
ход на медленную («ползучую») скорость в конце движения. Одна¬
ко с увеличением скорости сварки длительность процессов разгона
и торможения становится соизмеримой с периодом собственных
колебаний манипулятора. Соответствующие переходные процессы
сливаются и происходят одновременно. Следовательно, необходимо
полностью детерминировать скорость привода от начала его движе¬
ния до остановки, т.е. найти наиболее целесообразный закон изме¬
нения скорости привода ф(/) (рис. 7.9, а).
362
Глава 7. Роботизация процесса сварки
Рис. 7.9. Кривые перемещения клещей от точки к точке:
а - линейный разгон и торможение; б - плавное изменение скорости
Плавный процесс перемещения клещей от точки к точке соот¬
ветствует случаю, показанному на рис. 7.9, б.
7.4. Системы управления, методы обучения
и программирования сварочных
робототехнических комплексов
В развитии систем управления манипуляционными роботами,
в том числе сварочными, выделяют пять специализированных уров¬
ней иерархии управления (рис. 7.10): приводом манипуляционной си¬
стемы - 1 (исполнительный уровень); элементарными программны¬
ми операциями - 2; внешней средой - 3; отдельными законченными
технологическими операциями - 4; искусственным интеллектом - 5.
О задачах искусственного интеллекта для роботов третьего по¬
коления в настоящее время можно говорить только в плане прогноза
дальнейших исследований. На этом уровне должен осуществляться
выбор стратегии обработки сварной конструкции: поиск заданных
деталей, подлежащих сварке, выбор оптимального плана перемеще¬
ния сварочного инструмента и (или) изделия, выбор оптимальных
технологических режимов ведения собственно процесса сварки.
В настоящее время управление РТК осуществляется преимуще¬
ственно на первых трех уровнях. Если требуется задать программу
в виде наименования операций или их последовательности, исполь¬
зуется уровень 4, на котором синтезируются законченные сложные
действия по достижению конечной цели управления, в частности
сварки изделия. Для этого на данном уровне проводится разделение
7.4. Системы управления, методы обучения и программирования сварочных РТК 363
Рис. 7.10. Иерархическая структура управления РТК
операций управления на ряд технологических переходов, реализуе¬
мых нижним уровнем управления РТК (например, ориентирование
сварочной горелки, формирование режимов относительного пере¬
мещения рабочих органов, расчет траектории перемещения, кон¬
троль качества сварного шва и др.). На данном уровне используется
информация от устройств очувствления РТК.
Основным классификационным признаком систем управления
является тип управления.
Тип управления. Большинство эксплуатируемых РТК являют¬
ся роботами с программным управлением, в которых программа за¬
дается либо в виде траектории, готовой для обработки приводами
каждой манипуляционной системы, либо в виде траекторий в коор¬
динатах рабочей зоны, которые затем преобразуются в режиме реаль¬
ного времени в координаты степеней подвижности манипулятора.
11ри этом в зависимости от типа привода обработка движения может
быть как непрерывной (контурные системы управления), так и дис¬
кретной (позиционные системы). В первом случае программа реали¬
зуется в виде непрерывной траектории, во втором - в виде конечной
последовательности позиций, заданных программой. Системы, в ко¬
торых число программируемых точек по каждой из управляемых
364
Глава 7. Роботизация процесса сварки
координат ограничено несколькими фиксированными значениями,
являются цикловыми и представляют собой частный случай пози¬
ционных систем управления.
Цикловое программное управление РТК, которое является про¬
стейшим, обеспечивает в основном двухточечное позиционирова¬
ние по отдельным степеням подвижности. В общем случае состав
устройства циклового программного управления включает в себя
управляюще-вычислительный модуль, программоноситель, блоки
сопряжения с роботом и технологическим оборудованием, панель
управления и пульт ручного управления обучением.
Примером цикловой системы управления с упрощенной реали¬
зацией основных функциональных узлов и блоков может служить
устройство ЭЦПУ-6030, ориентированное на управление простей¬
шими роботами типа МП-9С и сопутствующим технологическим
оборудованием.
В целях увеличения числа точек позиционирования в отдель¬
ных случаях применяют промежуточные выдвижные упоры. Для
управления роботами с промежуточным позиционированием от¬
дельных звеньев манипулятора и технологическим оборудованием
со сложной логикой управления предназначены унифицированные
цикловые системы. Типичным примером систем такого типа явля¬
ется серийно выпускаемое устройство УЦМ-663. Обозначение типа
устройства расшифровывается так: У - унифицированное; Ц - цик¬
ловое; М - модульное; 6 - шестикоординатное; 6 - в том числе всеми
шестью координатами одновременно; 3 - цифра, соответствующая
выходу на привод циклового устройства.
Цикловые системы управления просты и надежны. Основной
недостаток управления данного типа - неспособность к перемеще¬
ниям по сложным траекториям. Кроме того, значительные продол¬
жительность и трудоемкость перенастройки робота при переходе
на новую программу ограничивают его гибкость.
Системы циклового программного управления в основном ис¬
пользуют при выполнении транспортных и погрузочно-разгрузоч¬
ных работ.
При позиционном управлении обеспечивается от десятков до не¬
скольких сотен программируемых точек по каждой степени подвиж¬
ности. Позиционные системы управления используют в операциях,
требующих лишь позиционирования объекта с заданной точностью,
т.е. ориентированного его расположения в определенном числе то¬
чек пространства. При этом неважно, по какой траектории будут
7.4. Системы управления, методы обучения и программирования сварочных РТК 365
перемещаться рабочие органы РТК между заданными позиция¬
ми. В литературе встречаются следующие сокращенные обозначе¬
ния типа системы: ptp (point-to-point) - позиционные с небольшим
числом программируемых точек; mp (multi-point) - позиционные
с большим числом программируемых точек.
Для управления манипулятором РТК при автоматизации транс¬
портных и загрузочно-разгрузочных операций, связанных с обслу¬
живанием группы станков (до четырех), установок для точечной
контактной сварки и других, предназначено устройство ЧПУ типа
УПМ-772.
Позиционное управление позволяет повысить универсальность,
расширить технологические возможности, а следовательно, и об¬
ласть применения роботов в производстве. К недостаткам управле¬
ния этого типа относят нерегулируемость траектории между задан¬
ными точками и затруднения, связанные с приданием ей плавности.
Цикловое и позиционное управление неприемлемо для РТК, вы¬
полняющих операции нанесения защитных покрытий, газовой рез¬
ки, дуговой, плазменной сварки и других, где требуется выдерживать
непрерывную траекторию перемещения инструмента с заданной
скоростью. В этих случаях используют системы контурного управ¬
ления, которые позволяют непрерывно управлять перемещением ин¬
струмента, ориентацией объекта и параметрами технологического
процесса. Контурное управление можно представить как синхронное
позиционное управление с большим числом программируемых точек
позиционирования, расположенных близко одна от другой. Контур¬
ную систему иногда обозначают CP (Continuous Path).
Для управления манипулятором и сварочным оборудованием
при автоматизации дуговой сварки, плазменного напыления и окра¬
сочных работ предназначено устройство числового программного
управления типа У КМ-772 - контурное, с системой отсчета в абсо¬
лютных размерах.
В целом контурные системы управления обладают значительны¬
ми универсальностью и технологическими возможностями. К их не¬
достатком следует отнести сложность и высокую стоимость.
Иногда применяют различные комбинированные системы про¬
граммного управления, в которых оптимально сочетаются позицион¬
ные и контурные типа управления. Примером могут служить случаи,
когда для основных технологических операций (например, выполне¬
ние сварного шва) требуется применять контурное управление, а для
инода в рабочую зону и вывода из нее инструмента - позиционное.
366
Глава 7. Роботизация процесса сварки
В зависимости от количества совместно управляемых роботов
системы управления подразделяют на системы индивидуального
и группового управления.
При индивидуальном управлении каждый РТК имеет систему
локального управления (стойку), задачей которой является коор¬
динация действий отдельных функциональных элементов робота
друг с другом, с обслуживаемым технологическим оборудованием
и транспортными системами.
При групповом управлении (широко используемом в последнее
время) осуществляется синхронизированное управление группой
РТК и технологическим оборудованием, связанными единым тех¬
нологическим процессом изготовления изделия, от одного управля¬
ющего устройства ЧПУ или, чаще всего, от ЭВМ.
При выборе типа системы управления важное значение имеют
следующие критерии: универсальность РТК, суммарная продол¬
жительность технологического цикла, число точек обслуживания,
точность позиционирования, стоимость, помехоустойчивость. Сто¬
имость устройства управления составляет значительную часть сто¬
имости самого РТК (до 50%), что определяет важность правильного
выбора типа системы управления, обеспечивающего при минималь¬
ных стоимости и сложности наиболее оптимальную реализацию
конкретного технологического процесса. Цикловые системы наибо¬
лее дешевые, затем следуют позиционные, а наиболее дорогостоя¬
щими являются контурные и адаптивные системы управления.
Методы программирования и обучения РТК. Под програм¬
мированием применительно к РТК понимается составление и ввод
управляющей программы в целях управления. Программа - полное
и точное описание на некотором формальном языке процесса обра¬
ботки информации, приводящего к решению поставленных задач.
При программировании необходимо зафиксировать в виде програм¬
мы следующие виды информации (команд): последовательность
осуществления отдельных элементов движений, положение звеньев
манипулятора и устройства передвижения корпуса робота, время
выполнения элементов движения. Кроме этой информации в ряде
случаев задаются скорости перемещения звеньев; усилия, связан¬
ные с выполнением операций; команды, управляющие работой тех¬
нологического оборудования, и др.
Программа строится из последовательности кадров. Кадр - од¬
на или несколько команд, обрабатываемых последовательно-парал¬
лельно. Управляющая программа может быть зафиксирована как
7.4. Системы управления, методы обучения и программирования сварочных РТК 367
с помощью механических аналогов (упоров, копиров и т.д.) и раз¬
личных коммутаторов (штеккерных панелей, барабанов и др.), так
и на быстросменных программоносителях (перфолентах, магнит¬
ных лентах, магнитных дисках и т. п.).
В каждом конкретном случае объем памяти программоносите¬
ля (запоминающего устройства) определяется в зависимости от на¬
значения робота и его технических характеристик. Объем памяти
характеризуется количеством запоминаемой информации и измеря¬
ется в тысячах единиц двоичной информации (Кбит) или тысячах
байтов (Кбайт). Один байт составляет 8 единиц двоичной информа¬
ции (бит). Иногда указывают также объем памяти в количестве слов
(кадров), которые можно запомнить. При этом слово равно одному
или двум байтам.
По мере увеличения объема памяти расширяются технологи¬
ческие функции РТК. Так, вспомогательные роботы с цикловой
системой управления имеют малый объем памяти - 20-50 кад¬
ров (слов), с позиционной системой управления - средний - 100—
200 кадров; технологические роботы (например, для сварки или
окрашивания сложных поверхностей) с контурной системой
управления - большой - 1 000-2 000 кадров.
В зависимости от особенностей ввода информации в устройство
управления РТК различают следующие основные способы подго¬
товки программ: программирование обучением, внешнее програм¬
мирование, программирование самообучением.
Программирование обучением. Программа, по которой промыш¬
ленный робот выполняет свои движения, может быть введена в его
запоминающее устройство несколькими способами. Ее можно задать
предварительно, способом внешнего программирования, как это осу¬
ществляется у станков с цифровым управлением. Программу мож¬
но записать непосредственно на рабочем месте, пользуясь органа¬
ми ручного управления для перемещения манипулятора, например
с помощью выносного пульта обучения, или путем сопровождения
оператором исполнительного органа РТК по требуемой траектории
(«обучение показом»). Наконец, программа может быть переписана
из библиотеки программ - долговременного хранилища информации.
Первый способ требует больших затрат времени, наличия ква-
нифицированных программистов, средств математического и аппа¬
ратурного обеспечения, а иногда и применения ЭВМ для расчета.
Поэтому он целесообразен лишь для специализированных РТК.
Программирование универсальных роботов в настоящее время
368
Глава 7. Роботизация процесса сварки
осуществляется, как правило, по второму способу, который получил
название «обучение».
Обучение состоит в том, что, пользуясь выносным пультом, опера¬
тор выполняет первый технологический цикл, управляя вручную дви¬
жениями инструмента, закрепленного в кисти робота, а перемещения
инструмента последовательно записывает в запоминающее устрой¬
ство РТК. Этот способ прост, доступен рабочему соответствующей
квалификации и не требует никаких дополнительных устройств.
Однако процесс обучения связан с появлением субъективной
ошибки, возникающей вследствие неточного позиционирования
инструмента в процессе обучения. Эта ошибка войдет в качестве
составляющей в полную ошибку позиционирования, так как про¬
мышленный робот может воспроизвести только те позиции, которые
заданы ему при обучении.
Ошибка при обучении зависит от возможностей человека, про¬
водящего обучение РТК. Даже у опытного оператора она может ока¬
заться существенной, если динамические свойства РТК таковы, что
оператору тяжело управлять им вручную. Динамика РТК в режиме
ручного управления должна быть согласована с физиологическими
свойствами человека.
В процессе обучения РТК человек, управляющий им вручную,
составляет совместно с роботом следящую систему, являясь ее за¬
мыкающим звеном. Входным воздействием этой системы служит
рассогласование в положении рабочего органа робота относительно
заданной позиции, которое воспринимается оператором.
Структурная схема системы обучения по одной из координат
представлена на рис. 7.11. Она состоит из двух звеньев: первое зве¬
но Ко вместе с элементом сравнения отражает свойства оператора,
управляющего РТК, второе - динамику РТК.
Действия человека в системе обучения можно представить при
анализе системы некоторой математической моделью. В данном слу¬
чае удобно воспользоваться квазилинейной моделью, которая состо¬
ит из линейного звена с передаточной функцией KJj(d) и некоторо¬
го шумового генератора N. Последний представляет те компоненты
Рис. 7.11. Структурная схема системы обучения РТК
7.4. Системы управления, методы обучения и программирования сварочных РТК 369
выхода звена, которые не могут быть получены как следствие дей¬
ствия линейного оператора Ко на входной сигнал ввиду их нелиней¬
ной природы.
Параметры KJjuy) не являются константами, а зависят от ситуа¬
ции управления, которую определяет динамика управляемой систе¬
мы, входной сигнал и критерий качества.
Участвуя в работе системы ручного управления, человек изме¬
няет свое поведение вполне определенным образом, как бы проводя
самонастройку. Самонастройка есть суть освоения человеком тон¬
костей управления, она состоит из процесса адаптации и оптимиза¬
ции системы. Адаптация соответствует выбору оператором частно¬
го вида своей характеристики и проводится им так, чтобы система
оказалась стабильной. Оптимизация заключается в подборе параме¬
тров выбранной характеристики таким образом, чтобы улучшить за¬
данный критерий качества. Существенно, что в конкретной ситуа¬
ции управления характеристики различных операторов, прошедших
предварительно обучение, практически совпадают.
Оператор проявляет себя как низкочастотное звено с граничной
частотой до 1 Гц. На низких частотах (менее 0,1 Гц) наблюдается
резкое возрастание «шумов», т. е. нелинейных эффектов. Поэтому
оптимальная полоса частот воздействующего сигнала, при которой
оператор субъективно ощущает легкость в управлении, а объектив¬
но совершает наименьшие ошибки, лежит в пределах 0,05...0,6 Гц.
') го обстоятельство позволяет найти диапазон желаемых скоростей
перемещения РТК при его обучении.
Имея передаточную функцию РТК и учитывая свойства самона¬
стройки оператора, можно найти ошибку позиционирования при обу¬
чении, соответствующую выбранному воздействию. Далее следует
свести эту ошибку к минимуму средствами коррекции динамики РТК.
Переход от автоматического управления к ручному означает из¬
менение структуры системы управления. Ряд звеньев системы не ис¬
пользуется и отключается; в систему вводятся новые звенья, необхо¬
димые для осуществления ручного управления. Последние и могут
быть применены для коррекции.
В режиме обучения РТК является сложной динамической си¬
стемой, параметры которой изменяются в процессе работы. Так,
частоты собственных колебаний в угловых координатах зависят
от перемещения по радиальной координате. Доминирующим зве¬
ном, определяющим вид передаточной функции РТК, является его
механическая часть - манипулятор.
370
Глава 7. Роботизация процесса сварки
Рис. 7.12. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика при
обучении РТК (одна координата)
С учетом интегрирования в системе привода передаточную
функцию РТК в режиме обучения можно представить звеном тре¬
тьего порядка:
Кр(р)= р[\ + 2^Тр + (Тр)2]
Параметры колебательного звена в большинстве случаев имеют
порядок £ = 0,1, Т= 0,02 с; коэффициент Ко в значительной мере за¬
висит от конструкции органа ручного управления.
На рис. 7.12 показана типичная логарифмическая амплитуд¬
но-частотная характеристика (ЛАЧХ), относящаяся к одной из угло¬
вых координат РТК. Существенно, что область, где сказывается
влияние колебательного звена, здесь лежит выше диапазона частот,
доступного оператору, и при правильном выборе коэффициента Ко
оператор будет воспринимать динамическую нагрузку при обуче¬
нии, соответствующую простому интегрирующему звену.
Рассмотрим обучение РТК с асинхронной системой управ¬
ления. Запоминающее устройство асинхронной системы управле¬
ния РТК содержит информацию лишь о координатах заданных по¬
зиций. Скорость и траектория движения между этими позициями
определяются свойствами самого привода и никак не связаны с дей¬
ствиями оператора при обучении. Это дает возможность оператору
осуществлять вывод рабочего органа РТК в требуемую позицию лю¬
бым образом, например перемещением его по каждой из координат
поочередно, пользуясь простейшим способом управления. Таким
простейшим способом служит кнопочное управление скоростью:
нажатием кнопки включают действие соответствующего привода
РТК. Перемещение происходит с некоторой постоянной скоростью,
и задача оператора сводится к выбору момента остановки привода.
7.4. Системы управления, методы обучения и программирования сварочных РТК 371
Если аппроксимировать полную передаточную функцию разомк¬
нутой системы обучения функцией
ВД(0Жр0ш) =
которая соответствует действиям оператора, адаптировавшегося
в соответствии с требованиями устойчивости следящей системы,
и учесть способность оператора к упреждению, то ошибку в сле¬
жении можно оценить величиной А = v/co , где v - скорость РТК;
о)с - частота среза. Следовательно, максимально допустимая ско¬
рость робота при обучении ограничивается разрешаемой ошибкой
обучения А :
J max
v < А со,
где частота среза сос (частота /^ на рис. 7.12) зависит от конкретной
ситуации управления, но не превышает 271.
Это очень жесткое ограничение, требующее вести процесс обу¬
чения с большим замедлением. На практике пользуются двумя уров¬
нями скорости: выход в позицию начинают на сравнительно боль¬
шой, а к самой позиции подходят на «ползучей» скорости.
После вывода рабочего органа в искомую позицию осуществля¬
ют запись этой позиции в ЗУ РТК. В большинстве случаев для этого
достаточно нажать на кнопку «Запись», размещаемую на том же вы¬
носном пульте, где находятся и кнопки управления приводами всех
координат. Предусматривают также возможность записи в ЗУ на лю¬
бом шаге программы сигналов связи с внешним оборудованием.
Следует отметить, что ручное управление включением привода
требует от оператора определенного опыта и, как правило, осущест¬
вляется с частыми исправлениями совершаемых ошибок. Поэтому
управление включением скорости непригодно для обучения в слу¬
чае асинхронной системы управления.
При обучении позиционного РТК с синхронной системой
управления ЗУ выдает непрерывный поток информации, определя¬
ющий как само перемещение, так и скорость движения РТК. Это
свойство системы позволяет ввести торможение при подходе к пози¬
ции, а если требуется, то полностью регламентировать все движения.
Программирование скорости предполагает наличие средств
управления скоростью при обучении. Таким средством служат ор¬
ганы пропорционального управления, дающие оператору возмож¬
ность изменять скорость РТК по своему усмотрению.
372
Глава 7. Роботизация процесса сварки
Пропорциональное управление позволяет осуществить подход
к искомой позиции с любым замедлением, однако обучение ведут
на пониженных скоростях. Это облегчает действия оператора и дает
ему возможность программировать достаточно быстрые движения
с резкими изменениями скорости, например, при торможении перед
выходом в позицию.
В синхронной системе запись информации в ЗУ происходит не¬
прерывно, как и выдача ее при считывании. Однако если скорости
носителя информации в ЗУ при записи и воспроизведении различ¬
ны, то соответствующие скорости РТК - при обучении и в автомати¬
ческом режиме работы - окажутся в том же соотношении.
Масштаб изменения скорости можно найти из условия, приведен¬
ного выше, согласно которому спектр частот воздействия, восприни¬
маемого оператором, должен находиться в пределах 0,05...0,60 Гц.
Метод пропорционального ручного управления в сочетании с за¬
медлением темпа движений при обучении является простым и эф¬
фективным для программирования сравнительно несложных движе¬
ний. Управлять вручную одновременным движением по трем - пяти
координатам непросто. Значительным недостатком является то, что
в связи с синхронностью записи все ошибки, совершенные при обу¬
чении, повторятся в каждом рабочем цикле и коррекцию программы
будет трудно осуществить.
Обучение позиционного РТК с синхронной системой управления
значительно упрощается, если применить промежуточную память.
Устройство обучения с промежуточной памятью позволяет раз¬
делить действия оператора при обучении и движения РТК в автома¬
тическом режиме. При таком методе обучения информация о дви¬
жении поступает в промежуточный накопитель, который фиксирует
лишь совершенное перемещение; информация о скорости движения
при этом теряется. После выхода в позицию данные из накопите¬
ля переводят в основное ЗУ, одновременно вводя, если необходимо,
желаемый закон изменения скорости. Процесс обучения по одной
из координат проследим с помощью структурной схемы, показанной
на рис. 7.13.
Обучение проводят в два этапа. Сначала оператор органом руч¬
ного управления РУ, воздействующим на управляемый генератор
перемещений ГП, подает сигнал на устройство привода УП, пере¬
мещая исполнительный орган ИО и контролируя его положение ви¬
зуально. Данные датчика Д, воспринимающего перемещение ИО,
фиксируются в промежуточном накопителе Н. По достижении
7.4. Системы управления, методы обучения и программирования сварочных РТК 373
Рис. 7.13. Структурная схема синхронной системы управления
заданной позиции РТК останавливают и переключателем К подклю¬
чают генератор ГП к накопителю так, чтобы его сигнал считывал
информацию, введенную в промежуточный накопитель, подавая ее
в ЗУ для записи последовательно во времени. Запись в ЗУ начинает¬
ся по команде «3», которая включает движение носителя в ЗУ и блок
формирования сигнала БФС скорости; последний на основании ин¬
формации, поступившей от Н, вырабатывает сигнал требуемого за¬
кона изменения скорости, который теперь управляет ГП. Окончание
считывания из блока Н служит сигналом завершения записи в ЗУ
и перевода устройства в начальное положение для программирова¬
ния следующей позиции.
Применение промежуточного накопителя позволяет оператору
осуществлять перемещения РТК при обучении раздельно по коор¬
динатам и в любой последовательности. Перезапись из промежуточ¬
ных накопителей в основное ЗУ произойдет одновременно по всем
координатам, и при воспроизведении перемещения РТК будут про¬
исходить одновременно по всем координатам согласно закону, за¬
ложенному в БФС. При этом пригодно как пропорциональное, так
и кнопочное управление.
Обучение контурного РТК с асинхронной системой управ¬
ления отличается от обучения позиционного только тем, что на про¬
граммированной траектории искусственно выделяются точки,
подлежащие записи. С этой целью криволинейную траекторию ап¬
проксимируют ломаной линией, отрезки которой равны между со¬
бой или кратны. На практике пользуются мерной лентой, которой
обклеивают деталь, применяемую для обучения.
Обучение контурного РТК с синхронной системой проводит¬
ся с пропорциональным ручным управлением. Ручное управление
выполняется с таким расчетом, чтобы максимально облегчить дей¬
ствия оператора. Система должна быть согласована с оператором
374
Iлава 7. Роботизация процесса сварки
по динамике и быть удобной в управлении. Для удобства органы
управления оформляются в виде рукоятки, имеющей три степени
свободы и размещаемой возле кисти на руке робота. Рукоятка кон¬
струируется так, чтобы ее перемещения по трем осям совпадали
по направлению с вызываемыми ею перемещениями РТК. Такое
устройство позволяет вести обучение по трем региональным коор¬
динатам. Для управления в локальных координатах на кисти робо¬
та монтируют вторую рукоятку того же типа. В зависимости от ха¬
рактера выполняемой РТК задачи, если необходимо, при обучении
пользуются замедлением темпа движений.
В некоторых случаях, если траектория программируемого дви¬
жения выражена на объекте физически, процесс обучения выпол¬
няют с помощью следящих систем, пользуясь датчиками, позволя¬
ющими оперировать в трех региональных координатах. Подобный
способ нашел применение, например, в случае дуговой сварки раз¬
деланного шва.
Контурное управление можно представить как синхронное по¬
зиционное управление с большим числом программируемых точек
позиционирования расположенных близко друг от друга. При таком
управлении программируются только опорные точки воспроизво¬
димой траектории, а промежуточные определяются интерполиро¬
ванием (рис. 7.14) с помощью специальных логических устройств
интерполяторов. В этом случае рабочие органы РТК буду!
перемещаться по сглаженной кусочно-непрерывной траектории.
Таким образом, можно применить позиционную систему управ¬
ления с интерполятором, и процесс обучения РТК с такой системой
управления практически не отличается от процесса обучения РТК
без интерполятора.
Внешнее программирование. Этот способ программирования
РТК выполняется на компьютере без активации манипуляционной
Рис. 7.14. Программирование траектории движения рабочего органа РТК
по опорным точкам интерполированием:
а - линейным; б - круговым; в - волновым
7.4. Системы управления, методы обучения и программирования сварочных РТК 375
системы робота. Он основан на создании в компьютерной среде
3D-модели роботизированной ячейки для сварки, содержащей ма¬
нипулятор инструмента, манипулятор свариваемого изделия, стой¬
ку управления РТК, комплект модулей сварочного оборудования
и технологической оснастки, а также данные режима сварки из тех¬
нологической карты. Характерные точки прохода робота по изде¬
лию при сварке выделяются на 3 D-модели изделия или заносятся
в программу работы робота из чертежа. Программа совместного
движения сварочной головки и изделия при сварке аналитическим
расчетом формируется ЭВМ. Программа выполняется в интерак¬
тивном режиме с «проигрыванием» движений сварочной горелки
и изделия на экране дисплея компьютера в виртуальном режиме. За¬
тем сформированная виртуально программа устанавливается на ро¬
бот и используется как рабочая. Наиболее эффективно эти задачи
решают в исследовательских центрах и на предприятиях при нали¬
чии САПР технологической подготовки производства (САПР ТПП).
Она предоставляет возможность разработчикам программ РТК
проверить их работу в виртуальном режиме, оценить доступность
для робота основных контрольных точек на свариваемом изделии,
активировать возможности столкновения робота с препятствия¬
ми, запрограммировать и оптимизировать траектории совместного
движения РТК с инструментом и манипулятора изделия с обеспе¬
чением горизонтальности расположения стыков под сварку, а также
задать порядок обхода свариваемых стыков на изделии, гарантиру¬
ющий минимальные деформации после сварки и максимум произ¬
водительности процесса.
В последние годы рядом известных компаний, занимающихся
проектированием и внедрением РТК для сварки, предложены новые
эффективные программные продукты для решения задач автомати¬
зированного проектирования РТК для дуговой и контактной свар¬
ки. На их базе появляется возможность построения эффективных
САПР ТПП для автоматической и роботизированной дуговой и кон¬
тактной сварки, решения задач автоматизированного проектирова¬
ния и внедрения РТК на предприятиях.
В 1990-е годы наиболее известными САПР, используемыми
мри проектировании РТК, являлись системы с примененнием паке¬
тов RobCAD (фирма Technomatics Technologies), CimStation (фир¬
ма Silma) и IGRIP (фирма Deneb Robotics). Пакет RobCAD, кото¬
рый может быть установлен на графических станциях HP Silicon
Graphics Sun, позволяет существлять моделирование РТК для
376
Глава 7. Роботизация процесса сварки
дуговой и точечной контактной сварки, лазерной резки, окрашива¬
ния и металлообработки.
В России работы по созданию САПР РТК начались в конце
1980-х годов. Фирма «Буран» для автомобильной промышленно¬
сти предложила САПР РТК для сварки «Робомакс», а фирма «Ав¬
торобот» разработала пакет AutoRob. Эти системы были ориенти¬
рованы на IBM-совместимые компьютеры и графическую среду
пакета AutoCAD фирмы Autodesk. С помощью этих пакетов были
решены задачи технологической подготовки роботизированного сва¬
рочного производства для новых моделей автомобилей «ВАЗ», «ГАЗ»,
«Москвич».
В 2000-х годах на рынке появился ряд интересных предложе¬
ний по созданию САПР ТПП для роботизированной сварки. Фир¬
ма Fanuc предложила программный продукт RoboGuide для автома¬
тизированного проектирования в диалоговом режиме РТК дуговой
и контактной сварки. Для проектирования РТК способом Simulator
Program интересны коммерческие предложения - програмные па¬
кеты Robot Expert и пакет Robot Master. Они позволяют построить
эффективные рабочие станции для проектирования РТК, на их базе
выполнить сложные проекты по созданию РТК для сварки ответ¬
ственных изделий. По методу внешнего программирования можно
подготовить для действующего РТК рабочие программы для сварки
конкретного изделия. Распространенными языками программирова¬
ния являются языки РОКОЛ (СССР), EHOS, PLAW (Япония), VAL,
AL (США).
Программирование самообучением. Программа формируется
на основе информации, анализируемой системой технического зре¬
ния восприятия внешней среды с последующей обработкой и запо¬
минанием полученной информации, организацией соответствую¬
щих команд самим роботом (адаптивный РТК).
Таким образом, общение оператора с РТК на нижних уровнях
управления (см. рис. 7.10) сводится к режиму кодирования, т. е. опе¬
ратор формулирует задание РТК в виде уставок перемещений ра¬
бочих органов по соответствующим координатам (уровень 1) либо
в виде вектора скорости рабочего органа или его координат с по¬
мощью специальных задающих устройств (уровни 2 и 3). При на¬
личии сенсорных устройств (уровень 3) система управления РТК
приобретает свойства адаптации, которая может осуществляться
без участия оператора. На уровне 4 реализуется супервизорный
способ управления, т. е. оператор взаимодействует с РТК, формируя
7.5. Сварочное оборудование робототехнических комплексов
377
и выдавая директивные задания на проблемно-ориентированном
или графическом языке. Далее работа с РТК приобретает форму ди¬
алогового режима, когда директивные задания на проблемно-ори¬
ентированном языке ЭВМ трансформируются с помощью трансля¬
тора в соответствующие перемещения исполнительных устройств
РТК, а система управления запрашивает оператора о дополнитель¬
ной недостающей информации для выполнения операции. На уров¬
не 5 указывается только сама операция, а ее выполнение планиру¬
ется самим РТК.
7.5. Сварочное оборудование
робототехнических комплексов
Передача функций оператора РТК, как правило, не может рас¬
сматриваться как простая замена человека роботом в системе опера¬
тор - полуавтомат для дуговой сварки или в системе оператор - ма¬
шина для точечной контактной сварки. Передача функций человека
во время сварки роботу бывает недостаточно эффективной вслед¬
ствие недостаточных сенсорных и манипуляционных способностей.
Оснащение РТК предназначенным для человека механизированным
инструментом, имеющим ограниченные возможности автоматиче¬
ского управления сварочным процессом, означает недоиспользова¬
ние РТК по потенциалу его системы управления.
В связи с этим оборудование РТК для сварки необходимо рас¬
сматривать как отдельный вид, что, однако, не исключает возмож¬
ность и целесообразность использования в нем составных частей
традиционных видов сварочного оборудования. В свою очередь,
создание и развитие сварочного оборудования для РТК положитель¬
но влияет на совершенствование традиционных видов оборудова¬
ния для сварки.
Общим требованием к сварочному оборудованию РТК является
возможность его продолжительной работы (не менее одной смены)
без участия человека с сохранением стабильных свойств сварива¬
емых соединений, таких как длительная воспроизводимость па¬
раметров режима, наличие развитых средств контроля состояния
составных частей сварочного оборудования, высокий уровень авто¬
матизации и совместимость с системой управления РТК, насыщен¬
ность вспомогательными и сервисными устройствами.
378
Глава 7. Роботизация процесса сварки
В зависимости от характера производства и условий эксплуа¬
тации РТК для сварки составные части сварочного оборудования
могут иметь различный диапазон функциональных возможностей.
При использовании РТК в условиях переменного сварочного произ¬
водства с частой сменой сварных конструкций этот диапазон должен
быть достаточно широким. Специализированные сварочные РТК,
предназначенные для применения в производстве сварных кон¬
струкций несложной формы или при дуговой сварке швов в одном
и том же пространственном положении, могут быть оснащены более
простым сварочным оборудованием, что повышает экономическую
эффективность роботизации.
Сварочное оборудование РТК для дуговой сварки (РТК ДС).
В комплект сварочного оборудования РТК ДС входят следующие
составные части: 1) источник питания сварочной дуги; 2) аппара¬
тура подачи сварочной проволоки; 3) сварочные горелки; 4) устрой¬
ства автоматической очистки горелки от брызг; 5) аппаратура уда¬
ления газов и аэрозолей; 6) устройство защиты горелки от поломки;
7) коммуникации; 8) средства контроля начального положения го¬
релки; 9) устройства крепления сварочной аппаратуры на состав¬
ных частях РТК; 10) аппаратура контроля и управления сварочным
оборудованием.
По функциональным признакам перечисленные устройства
можно подразделить на три группы: средства подачи энергии и сва¬
рочных материалов в зону дугового процесса (п. 1-3); сервисные
(вспомогательные) средства, включая средства контроля состояния
и защиты (п. 4-9); средства управления (п. 10).
Рассмотрим составные части сварочного оборудования РТК ДС
и их основные особенности.
1. Источник питания сварочной дуги. Он во многом определя¬
ет технологические параметры процесса роботизированной сварки.
Такие показатели источников питания, как надежность зажигания
дуги, стабильность поддержания заданного режима, гибкость изме¬
нения параметров процесса сварки, имеют для РТК ДС решающее
значение.
Современные средства электронной техники позволяют отка¬
заться от управления индуктивностью в сварочной цепи, осущест¬
влять управление процессом тепловложения и переноса металла
на уровне объема капель и времени переноса каждой из них.
В составе РТК ДС применяют в основном инверторные источ¬
ники питания. Реализация силовой цепи инверторного источника
7.5. Сварочное оборудование робототехнических комплексов
379
питания на транзисторах обеспечивает скорость изменения свароч¬
ного тока до 50 А/мс. В результате представляется возможным зна¬
чительно уменьшить разбрызгивание и выполнять роботизирован¬
ную сварку в различных пространственных положениях.
Разработанный в ИЭС им. Е.О. Патона источник питания И-136
на 400 А, предназначенный для работы в составе РТК ДС, обеспе¬
чивает плавное регулирование сварочного напряжения в диапазоне
15...40 В по аналоговому или цифровому сигналу, поступающему
от системы управления РТК ДС, стабилизацию сварочного напря¬
жения при изменении напряжения сети, шунтирование сварочного
дросселя в начале процесса сварки для улучшения зажигания дуги
и шунтирование части сварочного дросселя при выполнении верти¬
кальных швов. По результатам оценки сварочных свойств источни¬
ка И-136 в сравнении со свойствами широко известного ВДУ-504
и инверторного источника PS-3500 (фирма Kemppi, Финляндия),
проведенной в соответствии с методикой ГОСТ 25616-83 по пока¬
зателям потерь металла на разбрызгивание, надежности установле¬
ния процесса сварки и качества формирования шва, установлено,
что источник питания И-136 имеет высокие сварочные свойства.
Хорошие показатели у источника PS-3500 при сварке на малых то¬
ках (до 200 А). Для ВДУ-504 в этом диапазоне потери металла зна¬
чительно выше.
В последние годы в России и за рубежом в РТК интенсивно ис¬
пользуют инверторные источники питания с широким набором по¬
лезных для сварки опций, таких как:
• датчики потока и температуры охлаждающей жидкости (газа)
в горелке;
• фильтр охлаждающей жидкости;
• продувка горелки газом (до 1,6 МПа);
• датчик давления газа;
• дистанционный пульт сварки;
• быстроразъемное соединение кассеты подачи проволоки;
• автоматическое оплавление торца электрода в конце сварки;
• изменение сварочного тока от минимального до максимально¬
го значения;
• непрерывный, импульсный и синергетический режим работы;
• контроль короткого замыкания;
• протяжка проволоки без подачи газа при отключенном токе;
• терморегулируемый вентилятор;
• аварийное отключение блока управления при перегрузке;
380
Глава 7. Роботизация процесса сварки
• интерфейс связи с РТК;
• автоматическое отключение блока охлаждения горелки.
Наиболее известны и широко применяются в РТК следующие
инверторные источники питания:
• Kemp Arc Pulse 350/450 (фирма Kemppi, Финляндия). На ос¬
нове выбора специализированного программного обеспечения по¬
зволяет использовать опции Kemppi Wise и Match для качественной
сварки в С02 в различных пространственных положениях. Меню
этих программных продуктов включает сварочные процессы для
сварки корневого прохода (Wise Root) и тонколистового металла
(Wise Thin), автоматическое регулирование мощности и длины дуги.
Программное обеспечение Kemp Arc Browser и панель дистанцион¬
ного управления KF 82 позволяют оператору с помощью внешнего
пульта управления дистанционно корректировать параметры режи¬
ма сварки. Упрощается процедура построения роботизированной
сварочной ячейки для выполнения сварки в автомобилестроении,
транспортной и судостроительной промышленности;
• Power Wave (фирма Lincoln Electric, США) в реальном време¬
ни осуществляет управление эпюрой сварочного тока по сигналам
с датчиков через обратные связи. Это позволяет при сварке корот¬
кой дугой в С02 обеспечить высокое качество при корневом проходе
с малым разбрызгиванием электродного металла.
• Power Wave 455R/655R. Эти высококачественные инверторные
источники питания дуги легко интегрируются с контроллерами PLC
РТК. С их применением компанией реализован эффективный про¬
цесс сварки корня шва по методу STT для труб большого диаметра;
• TransSteel 3500/5000, TPS 3200/4000 (компания Fronius, Ав¬
стрия). При роботизированной MIG/MAG-сварке позволяют реали¬
зовать все перечисленные выше опции. Имеют гибкий интерфейс
Weld Com связи с роботом и цифровую систему управления, позво¬
ляющую с применением специализированного программного обе¬
спечения использовать новые прогрессивные способы сварки (СМТ,
Time Twin, СМТ + Time Twin).
Специализированный компактный сварочный аппарат
Phoenix-335 Pulse (фирма EWM, Германия) имеет интерфейс для ин¬
теграции источника с роботами, например с базовым роботом Fanuc
компании Tecnorobot. С предлагаемым заказчику программным обе¬
спечением под свой круг задач он имеет реальную возможность
построения роботизированной ячейки и ее внедрения в поточном
производстве.
7.5. Сварочное оборудование робототехнических комплексов
381
Импульсные сварочные аппараты серии QUINTO в комбинации
с промышленными роботами фирмы Cloos (Германия) позволили
создать эффективную роботизированную систему ROMAT для ро¬
ботизированной MIG/MAG- и TIG-сварки. На базе двух синхрони¬
зированных в работе импульсных источников с микропроцессорным
управлением типа GLC 403/603 Quinto этой фирмой разработан вы¬
сокопроизводительный процесс MIG/MAG-сварки - Tandem, предна¬
значенный для роботизированной сварки. Источники сварочного то¬
ка управляются поочередно непосредственно от системы управления
робота через аналоговый или последовательный цифровой порт. Со¬
вместно с двухпроволочной горелкой они образуют два независимых
электрических контура. Таким образом, все сварочные параметры
можно настраивать, изменять в режиме реального времени или опти¬
мизировать с помощью ручного программирующего устройства ро¬
бота независимо в каждом контуре. Роботизированная сварка Tandem
крупногабаритных корпусных деталей машин характеризуется высо¬
кой производительностью и гарантированным качеством процесса.
Программы работ агрегатов и параметры сварочного процесса для
удобства сохраняются на одном носителе информации.
2. Аппаратура подачи сварочной проволоки. На роботах для ду¬
говой сварки обычно предусматривают использование сварочной
проволоки сплошного сечения диаметром 0,8... 1,6 мм. Наиболее
широко используют проволоку диаметром 1,2 мм. Непременным ус¬
ловием надежной подачи проволоки такого диаметра является ее тща¬
тельная намотка на барабаны или катушки (по ГОСТ 25445-82) непо¬
средственно на заводе-изготовителе. Это исключает выход из строя
тракта подачи проволоки и обеспечивает минимальные случайные
отклонения конца проволоки после ее выхода из наконечника горел¬
ки. Самостоятельная перемотка проволоки, выполняемая на прими¬
тивном оборудовании, как правило, не обеспечивает необходимиго
качества намотки и поэтому неприемлема для сварки роботами.
Применяют механизмы подачи сварочной проволоки различных
типов: планетарные безредукторные, двух- и четырехроликовые ре¬
дукторные и т. д. Использование планетарных безредукторных меха¬
низмов обеспечивает стабильную подачу с одновременной правкой
проволоки и, как результат, более стабильное положение конца элек¬
тродной проволоки, меньший износ тракта подачи и его большую
длину благодаря крутильным колебаниям проволоки в канале, суще¬
ственно снижающим трение проволоки о внутреннюю поверхность
канала.
382
Глава 7. Роботизация процесса сварки
а б
Рис. 7.15. Тянущий (а) и двухроликовый толкающий (6) механизмы пода¬
чи проволоки диаметром 0,8... 1,6 мм (фирма Cloos, Германия)
Однако применение планетарных подающих механизмов требу¬
ет высокой стабильности формы и размеров сечения используемой
сварочной проволоки. К этим требованиям менее критичны мало¬
габаритные роликовые редукторные механизмы подачи проволоки,
регулируемые перед сваркой (рис. 7.15).
В ряде случаев, например при сварке в труднодоступных местах
(внутри крупногабаритных конструкций), а также при использова¬
нии катушек большой массы и при обширной рабочей зоне требуется
обеспечить подачу проволоки на расстояние до 10 м и более. В этих
случаях применяется принцип подачи проволоки «тяни-толкай».
Принцип «тяни-толкай» в устройствах подачи проволоки пре¬
дусматривает использование двух независимых приводов. Устрой¬
ства состоят из компактного тянущего механизма (рис 7.15, а),
встроенного в горелку робота, и толкающего механизма (рис 7.15, б),
устанавливаемого на третьей оси робота вблизи от катушки с прово¬
локой (рис. 7.16).
Использование в устройстве подачи проволоки двух приводов
обеспечивает надежную равномерную подачу любой проволоки
при роботизированной MIG/MAG-сварке. При соединении горелки
с дополнительным устройством Saper Snake фирмы Kemppi можно
значительно увеличить (до 25...30 м) расстояние от стационарной
катушки с проволокой до горелки. Это позволяет расширить доступ¬
ность мест сварки на сложных и протяженных конструкциях.
7.5. Сварочное оборудование робототехнических комплексов
383
Опыт показывает, что наибольшее число отказов в работе сва¬
рочного оборудования связано с нарушением подачи проволоки.
В большинстве случаев причиной отказов является смятие проволо¬
ки на входе в направляющий канал. Для исключения отказов подачи
проволоки необходимо выполнять известные рекомендации по вы¬
бору диаметров отверстий элементов всего тракта подачи. При этом
особое внимание следует обращать на размеры токоподводящих на¬
конечников и приемных втулок направляющих каналов.
3. Сварочные горелки. Для эффективного использования РТК ДС
необходимо применять различные варианты исполнения сварочных
горелок. Выбор варианта определяется типом и структурой манипу¬
ляционной системы РТК, конструктивными особенностями свари¬
ваемого изделия и режимом сварки.
Сварочные горелки для РТК ДС по сравнению с горелками
для механизированной сварки должны удовлетворять следующим
требованиям:
• значительно большая продолжительность непрерывной рабо¬
ты, достигающая при рационально организованной эксплуатации
РТК ДС 90 - 95 % общего фонда рабочего времени;
Рис. 7.16. Крепление на третьей оси робота Fanuc аппаратуры подачи про¬
волоки:
1 - бухта; 2 - механизм подачи проволоки
384
Глава 7. Роботизация процесса сварки
• возможность быстрой замены газового сопла и токоподво¬
дящего наконечника, а также всей горелки с гарантированным со¬
хранением положения рабочей точки относительно последнего зве¬
на манипулятора горелки (ручные корректоры положения горелки
на РТК ДС нежелательны; необходима точная обработка заменяе¬
мых элементов с четким базированием по местам присоединения);
• достаточные жесткость и прочность, исключающие деформи¬
рование горелки под действием сил, возникающих при срабатыва¬
нии устройства защиты от поломки в случае столкновения горелки
с препятствием;
• возможность конструктивного сопряжения с датчиками поло¬
жения свариваемых элементов;
• надежный токоподвод к электродной проволоке в строго опре¬
деленном месте наконечника горелки, неизменном по мере его из¬
нашивания (особенно важно в системах, использующих сварочную
дугу в качестве датчика положения свариваемых элементов);
• наличие дополнительного подвода сжатого воздуха к газово¬
му соплу для его пневматической очистки и впрыскивания противо¬
пригарной жидкости.
Наряду с прямыми применяют изогнутые горелки (рис. 7.17),
рабочая часть которых отогнута под углом 20...40° к оси участка
крепления или имеет S-образную форму. Горелки для сварки на то¬
ках до 250 А в защитной сре¬
де С02 или до 200 А в смеси
газов, как правило, имеют
естественное охлаждение.
Для сварки на больших то¬
ках требуется водяное ох¬
лаждение газового сопла то¬
копроводящего наконечника
горелки. Существуют горел-
Рис. 7.17. Сварочные горелки
для РТК ДС (фирма Alexander
Binzel, Германия):
1,2- прямая и изогнутая водо¬
охлаждаемые; 3 - с охлаждением
защитным газом; 4 - устройство
защиты горелки от поломки
7.5. Сварочное оборудование робототехнических комплексов
385
ки, охлаждаемые защитным газом под давлением до 5 МПа, однако
эффективность такого охлаждения значительно меньше водяного.
По мнению ряда исследователей, применение изогнутых горе¬
лок обеспечивает более надежный токоподвод к электродной про¬
волоке и отклонение проволоки по мере изнашивания наконечни¬
ка в сторону, противоположную изгибу горелки. Если принимать
во внимание последний фактор, то манипулятор должен обеспечи¬
вать пространственное положение горелки, способствующее надеж¬
ному токоподводу.
Для способа сварки Tandem, фирмами Kemppi и Cloos, для спосо¬
ба сварки TimeTwin фирмой Fronius разработаны двухпроволочные
горелки со встроенными приводами подачи проволоки (рис. 7.18).
11ри роботизированной сварке они позволяют значительно повысить
производительность и качество процесса.
Основным способом роботизированной дуговой сварки явля¬
ется сварка в аргонсодержащих двойных (Аг + 20...30 % С02) или
тройных (Аг + 20...30 % С02 + 3...7 % 02) окислительных смесях.
Наиболее полно технологические преимущества таких смесей про¬
являются в диапазоне режимов сварки, обеспечивающих струйный
перенос электродного металла. Низкий уровень потерь металла
на разбрызгивание (в 3-4 раза меньший, чем при сварке в С02), глад¬
кая, мелкочешуйчатая поверхность швов, возможность применения
Рис. 7.18. Двухпроволочная горелка (фирма Kemppi, Финляндия)
для способа сварки Tandem
386
Глава 7. Роботизация процесса сварки
технологических приемов сварки, повышающих производитель¬
ность процесса (прямая полярность сварочного тока, увеличенная
длина вылета проволоки, сварка модулированным током), выгодно
отличают этот способ от сварки в СОг Дополнительные расходы,
связанные с повышенной стоимостью смеси (приблизительно втрое
больше, чем С02), невелики по сравнению со стоимостью РТК, при¬
ходящейся на единицу продукции. Они окупаются за счет повыше¬
ния качества сварки и сокращения трудозатрат на очистку сварных
конструкций от брызг после сварки. Подавляющее большинство
РТК для дуговой сварки плавящимся электродом в защитных газах
работает в аргонсодержащих смесях. Для смешивания газов исполь¬
зуются серийно выпускаемые постовые и рамповые смесители кон¬
струкции ВНИИавтогенмаш.
4. Устройства автоматической очистки горелки от брызг. Из¬
вестны две системы очистки горелки: 1) пневматическая сжатым
воздухом с впрыскиванием противопригарной жидкости (силиконо¬
вого масла); 2) механическая с помощью перемещающейся внутри
сопла очищающей втулки с приводом от пневмоцилиндра либо с по¬
мощью внешнего устройства типа вращающейся полой фрезы или
полой щетки. При сварке в С02 очистка сжатым воздухом приемле¬
ма при небольших токах (до 220 А). При этом включение устройств
очистки проводится после сварки участка шва длиной 100...500 мм.
При сварке в аргонсодержащих смесях длина швов, выполняемых
между включениями этих устройств, в 2-3 раза больше. При сварке
на больших токах целесообразно применять механическую очистку,
которую следует проводить перед началом сварки очередного изде¬
лия, но не реже, чем после сварки 7...8 м шва.
Наиболее эффективен комбинированный способ: очистка сжа¬
тым воздухом после выполнения каждого шва и механическая
очистка после сварки каждого изделия. При установке в корпусе
горелки дополнительных устройств с подвижными частями ее кон¬
струкция значительно усложняется, поэтому механическую очист¬
ку обычно осуществляют внешним устройством, а нанесение про¬
тивопригарной жидкости - методом окунания или опрыскивания.
Емкость (аэрозольной баллон) с жидкостью размещают в непо¬
средственной близости от устройств очистки. Однако применение
внешних устройств для очистки вызвано необходимостью подвода
к ним горелки и связанных с этим дополнительных потерь време¬
ни, тем более что такие устройства располагают вблизи границы
рабочей зоны РТК.
7.5. Сварочное оборудование робототехнических комплексов
387
5. Аппаратура удаления газов и аэрозолей. Удаление газов и аэ¬
розолей из зоны сварки роботом может осуществляться двумя спо¬
собами. Первый способ основан на применении всасывающего соп¬
ла, встроенного в горелку. При этом обеспечиваются нормальные
санитарные условия в зоне сварки, но существенно затрудняется
манипулирование горелкой в труднодоступных местах свариваемой
конструкции. Кроме того, при длинных коммуникациях отсос ухуд¬
шается из-за ограниченного диаметра отсасывающего трубопрово¬
да, поскольку с увеличением диаметра уменьшается его гибкость.
Второй способ предполагает использование местной вытяжной
вентиляции с помощью зонтов и отсосов в столах и манипуляторах
изделий. При этом оператор не должен находиться в зоне интенсив¬
ного выделения аэрозолей во время автоматической работы РТК ДС.
Всасывающее сопло, встроенное в горелку, не требуется.
6. Устройство защиты горелки от поломки. Случайные ошибки
оператора при обучении робота, сбои средств контроля положения
изделия и элементов фиксации, а также сбои в системе управления
РТК ДС могут привести к повреждению горелки, ее манипулятора
и других составных частей РТК при случайном столкновении го¬
релки с ними, поэтому крепление горелки к последнему звену ма¬
нипулятора не должно быть жестким. Целесообразно использовать
предохранительное устройство пружинного типа, обеспечивающее
фиксированное положение горелки, если к ней не приложена сила,
превышающая допустимую. При столкновении горелки с препят¬
ствием происходит упругое деформирование пружин, в результате
чего смещается фиксатор горелки, о чем сигнализирует микровы¬
ключатель на горелке. Горелку необходимо размещать относительно
устройства защиты таким образом, чтобы сила, направленная вдоль
оси горелки или сбоку с любой стороны, обеспечивала гарантирован¬
ное срабатывание устройства.
Известен метод защиты горелки от поломки путем подачи
электрического потенциала на изолированное сопло горелки и по¬
лучения сигнала при соприкосновении сопла с изделием. Одна¬
ко в ряде случаев сварка осуществляется с малой длиной вылета
электрода, при которой трудно избежать случайных легких каса¬
ний сопла и изделия, и эти касания не приводят к повреждению
горелки.
1. Коммуникации. Подвод электроэнергии, сварочных материа¬
лов, воды и сжатого воздуха к сварочному инструменту, закрепленно¬
му на конечном звене манипулятора с пятью степенями подвижности
388
Глава 7. Роботизация процесса сварки
и более, представляет собой сложную и ответственную инженерную
задачу. Вопросы прокладки коммуникаций должны решаться в этом
случае как составная часть разработки всех механизмов манипуля¬
ционной системы. При использовании роботов, разработанных для
других целей, прокладку коммуникаций для сварочного оборудова¬
ния проектируют отдельно, руководствуясь требованиями, предъяв¬
ляемыми к устройствам крепления сварочной аппаратуры.
8. Средства контроля начального положения горелки. Мани¬
пуляционная система РТК ДС имеет начальное положение звеньев
с нулевыми значениями осей координат. Однако перевод манипу¬
ляционной системы в точку с нулевыми координатами не гаранти¬
рует совмещения конца электродной проволоки с заданной точкой.
Смещение может произойти по многим причинам, например из-за
нарушения фиксации и повреждения горелки, изнашивания нако¬
нечника, случайного изгиба проволоки и др. Поэтому при наладке
и в процессе работы РТК ДС целесообразно периодически контро¬
лировать совпадение конца электрода с заданной точкой.
9. Устройства крепления сварочной аппаратуры на составных
частях РТК ДС. Конструкция этих устройств не должна ограничи¬
вать рабочую зону манипулятора горелки и досягаемость всех швов
изделия горелкой, а также нагружать манипулятор горелки допол¬
нительным весом, силами инерции и сопротивления перемещению
звеньев.
Источник питания сварочной дуги обычно неподвижен. Однако
в РТК ДС, предназначенных для сварки крупногабаритных конструк¬
ций, например корпусов судов, источник питания целесообразно раз¬
мещать на носителе манипуляторов горелок.
Большие контейнеры электродной проволоки обычно разме¬
щают неподвижно рядом с манипулятором РТК. Малые барабаны
с проволокой устанавливают рядом с подающим механизмом прово¬
локи, как правило, на смежной оси робота или на его неподвижном
основании (см. рис. 7.16).
Отдельную задачу представляет собой выбор варианта крепления
горелки к последнему звену манипулятора. Для уменьшения максималь¬
ных требуемых скоростей переносных движений и повышения точности
отработки расстояния х,у от точек сварки (рис. 7.19, а) до осей поворота
механизмов ориентирующих движений должны быть минимальны. Од¬
нако в результате уменьшения этого расстояния сокращаются предель¬
ные размеры выступающих свариваемых элементов (рис. 7.19, б, в).
Совмещение точки сварки с осью поворота одной из ориентирующих
7.5. Сварочное оборудование робототехнических комплексов
389
Рис. 7.19. Варианты крепления горелки
к последнему звену манипулятора:
а - оси вращения не проходят через точку свар¬
ки; б - при сварке угловых соединений с боль¬
шой высотой полки; в - одна из осей вращения
проходит через точку сварки; У - устройство за¬
щиты горелки от поломки; 2 - сварочная горелка
степеней подвижности позволяет вы¬
полнять швы изделий сложной формы
в нижнем положении при минимальном
использовании переносных движений,
а также сокращать число ориентирую¬
щих степеней подвижности при сварке
изделий некоторых типов. Таким обра¬
зом, выбор горелки и способа ее крепле¬
ния зависит от типа свариваемых кон¬
струкций и способов адаптации.
Универсальные РТК ДС целесоо¬
бразно укомплектовывать набором смен¬
ных горелок и узлов их крепления к по¬
следнему звену манипулятора горелки.
Математическим обеспечением системы
управления должно предусматриваться
оперативное внесение поправок в алго- б
ритм расчета траектории рабочей точки
на случай ее смещения при замене горе¬
лок или узлов их крепления.
10. Аппаратура контроля и управле¬
ния сварочным оборудованием. В функ¬
ции этой аппаратуры входит управление
стандартными циклами работы свароч¬
ного оборудования (зажигание дуги, за¬
варка кратера, очистка горелки и др.),
преобразование команд системы управ¬
ления РТК ДС в заданные значения па¬
раметров режима сварки, формирова¬
ние для системы управления РТК ДС в
и оператора информации о текущем со¬
стоянии всех устройств сварочного оборудования, автономное управле¬
ние в режиме отладки и контрольных проверок РТК ДС.
390
Глава 7. Роботизация процесса сварки
Возможно несколько принципов построения контроллера сва¬
рочного оборудования. На первых этапах применения РТК ДС ис¬
пользовались контроллеры с предварительной плавной настройкой
параметров (напряжение на дуге, скорость подачи проволоки, ам¬
плитуда и частота колебаний и др.) для нескольких (обычно пяти-ше¬
сти) режимов сварки. При воспроизведении программы в заранее
выбранных точках траектории по командам от системы управления
происходит переход с одного режима на другой из числа предвари¬
тельно настроенных. При этом не вызывает затруднений коррекция
параметров программы во время сварки. Существенным недостат¬
ком подобных контроллеров является повторная ручная установка
параметров при изменении условий. В результате возможны случай¬
ные отклонения значений параметров режима от заданных, грубые
ошибки или сознательная недопустимая интенсификация режима
оператором для повышения производительности. Другим недостат¬
ком такого решения является невозможность автоматического плав¬
ного изменения параметров режима, что необходимо прежде всего
для решения задач технологической адаптации.
Применение современных контроллеров сварочного оборудова¬
ния позволяет обеспечить управление режимом сварки с плавным
его изменением по программе, содержащей данные как о перемеще¬
ниях горелки относительно изделия, так и о значениях параметров
режима, и исключить доступ оператора к содержанию программы.
Количество ступеней изменения параметров выбирают достаточно
большим (например, 99, 127, 255), что обеспечивает практически
плавную настройку режима. Предусматривается также «горячее»
(при сварке) редактирование программы. Для универсальных, а так¬
же адаптивных РТК ДС наиболее перспективны свободно програм¬
мируемые контроллеры как основное средство управления свароч¬
ным оборудованием.
При работе РТК ДС с редкими переналадками на сварку дру¬
гого изделия целесообразно применять упрощенные контроллеры
с несколькими заранее выбранными режимами. Следует отметить,
что такие контроллеры достаточно просто стыкуются с серийно
выпускаемыми устройствами ЧПУ станками. Для ряда специали¬
зированных РТК ДС, когда не требуется переход с режима на ре¬
жим во время сварки одного и того же изделия, можно использовать
однорежимный контроллер, например типа БУСП-1, дополненный
при необходимости устройствами управления зажиганием дуги
и заварки кратера.
7.5. Сварочное оборудование робототехнических комплексов
391
Известно, что возможности определения и тем более регулиро¬
вания в реальном масштабе времени свойств сварного соединения
весьма ограниченны. Поэтому для процесса дуговой сварки основ¬
ным является способ разомкнутого управления, при котором реша¬
ются две задачи: 1) выбор оптимальных параметров режима в за¬
висимости от заданных номинальных технологических условий;
2) стабилизация параметров режима или их изменение по заданному
закону при наличии возмущений.
Для стабилизации параметров режима помимо данных о про¬
странственном положении горелки необходима информация о теку¬
щих значениях параметров и состоянии сварочного оборудования.
При дуговой роботизированной сварке плавящимся электродом
в общем случае следует измерять такие параметры, как мгновенное
и действующее значения сварочного тока и напряжения на дуге; ско¬
рость сварки; вводимая энергия, приходящаяся на единицу длины
шва; скорость подачи и длина вылета электродной проволоки; коли¬
чество израсходованной и оставшейся проволоки; расход, давление
и состав защитного газа или смеси газов; температура, расход и дав¬
ление охлаждающей жидкости; износ наконечника; степень забрыз¬
гивания сопла.
Косвенный контроль двух последних параметров можно осуще¬
ствить путем измерения времени сварки, отсчитываемого после оче¬
редной замены наконечника и сопла, и сопоставления этого времени
с ресурсом указанных деталей.
При изготовлении ответственных сварных конструкций целесо¬
образно применять устройства допускового контроля режима свар¬
ки, а также информационно-измерительные системы, осуществляю¬
щие не только контроль, но и документирование значений основных
параметров режима.
Сварочное оборудование в РТК для точечной контактной
сварки. При выполнении точечной контактной сварки робот пере¬
мещает либо сварочные клещи относительно изделия, либо свари¬
ваемое изделие относительно электродов стационарной сварочной
машины. В первом случае, являющемся основным, конструкция
сварочного оборудования зависит от принятой схемы его компонов¬
ки. Во втором случае в качестве сварочного оборудования обычно
используют серийно выпускаемые сварочные машины, однако этот
способ встречается относительно редко.
Клещами на роботах в автомобилестроении свариваются ли¬
стовые конструкции с толщиной листов 0,6... 1,2 мм со скоростью
392
Глава 7. Роботизация процесса сварки
до 60 точек в минуту на токах по вторичной цепи не менее 4 кА при
силе сжатия электродов 3,0...3,5 кН.
Мощность сварочного трансформатора и напряжение в его вто¬
ричной обмотке зависят от полного сопротивления цепи, которое
является функцией площади сечения и длины токоподводящих эле¬
ментов во вторичной цепи, а также рабочей длины и раствора элек-
трододержателей (величины окна сварочных клещей). Конфигура¬
ция рабочей части сварочного инструмента зависит от геометрии
свариваемых деталей и типа используемого робота.
Известно три варианта размещения сварочного трансформатора
в оборудовании для точечной контактной сварки (рис. 7.20). Транс¬
форматор может быть подвешен над роботом, установлен на одном
из звеньев робота или встроен в сварочные клещи. Первый вари¬
ант - использование компоновки сварочного оборудования, приня¬
той в подвесных машинах для точечной контактной сварки. Клещи
закрепляют на роботе. Для частичной разгрузки робота от веса кабе¬
лей, соединяющих клещи со сварочным трансформатором, применя¬
ют пружинные разгрузочные устройства. Подвеска трансформатора
над роботом характерна для универсальных роботов, предназначен¬
ных для широкого спектра технологи¬
ческих и транспортных работ.
Для того чтобы подвешенный
трансформатор не ограничивал рабо¬
чую зону РТК, кабели должны иметь
достаточную длину. Однако с увеличе¬
нием длины кабелей повышаются со¬
противление вторичного контура и тем¬
пература его нагрева при работе. Для
снижения этих показателей площадь
сечения кабелей увеличивают (иногда
до 250 мм2). Такие кабели плохо из¬
гибаются и создают дополнительную
нагрузку на кисть. Рабочая зона РТК
с трансформатором, подвешенным над
Рис. 7.20. Варианты размещения свароч¬
ного трансформатора при роботизирован¬
ной точечной контактной сварке:
а - над роботом; б - на одном из звеньев робо¬
та; в - в сварочном инструменте - клещах
7.5. Сварочное оборудование робототехнических комплексов
393
роботом, загромождена кабелями и тросами уравновешивающих ме¬
ханизмов, а манипуляционные возможности робота и доступ к вну¬
тренним полостям изделия ограничены. Поэтому при выборе подвес¬
ной сварочной машины следует найти взаимоприемлемое сочетание
длины кабеля, площади его сечения, температуры нагрева, жесткости
кабеля и фактической площади рабочей зоны.
Кроме того, при периодической подаче тока силой до 10 кА и бо¬
лее возникают значительные электродинамические нагрузки, кото¬
рые разрушают кабель, а также передаются на кисть и, повторяясь
при скорости сварки 60 точек в минуту до 20 тыс. раз в смену, при¬
водят к быстрому изнашиванию механизма кисти, увеличению за¬
зоров и, следовательно, погрешности воспроизведения программы.
Периодически повторяющиеся изгибы и скручивания токоведущего
кабеля также значительно уменьшают его долговечность. Известно,
что срок службы кабеля при роботизированной сварке в две смены
составляет от двух недель до двух месяцев. При этом шланги во¬
дяного охлаждения или водоохлаждаемая оболочка коаксиального
кабеля выходят из строя еще быстрее.
Как показывает опыт, число отказов роботизированных линий
для точечной контактной сварки определяется в основном надеж¬
ностью сварочного оборудования - клещей, токоведущих шлангов,
системы охлаждения, устройств блокирования. Если не принимать
мер по повышению надежности сварочного оборудования, то вслед¬
ствие мелких, хотя и легкоустранимых его неполадок сблокирован¬
ная линия с 8-10 роботами будет часто простаивать.
При втором варианте размещения трансформатора, т. е. в слу¬
чае его установки на одном из звеньев робота, длина токоведущих эле¬
ментов вторичного контура значительно (в 2,5-3 раза) уменьшается,
но возрастают нагрузки на робот. Поэтому трансформатор устанавли¬
вают вблизи места крепления руки к колонне (на роботах со сфериче¬
ской системой координат) или вблизи места крепления верхнего плеча
к нижнему (на роботах со сферической угловой системой координат).
В ряде случаев трансформатор используется и как противовес.
На роботах, специально предназначенных для точечной контакт¬
ной сварки, токоведущие элементы вторичного контура размещают
в руке (верхнем плече) робота. В роботах с выдвигающейся рукой
в этом случае необходимо обеспечить постоянное сопротивление
вторичного контура. Для этого применяют скользящие контак¬
ты V-образной формы и жесткие токопроводящие элементы, один
из которых имеет петлю.
394
Глава 7. Роботизация процесса сварки
В конструкции токоведущих элементов вторичного контура,
предложенной фирмой АСЕА (Швеция), содержатся жесткие ка¬
бели и контактные устройства, которые при выполнении переме¬
щений разомкнуты, а при осуществлении сварки замкнуты с по¬
мощью пневматики (рис. 7.21, а). Время срабатывания контактных
устройств практически не увеличивает времени сварки изделия.
Срок службы контактных поверхностей при двухсменной рабо¬
те, продолжительности включения ПВ 30%, токе 15 кА - около од¬
ного года. Время замены контактных поверхностей - 20 мин.
Таким образом, при размещении трансформатора на руке ро¬
бота уменьшается длина вторичного контура и, следовательно,
габаритные размеры трансформатора; снимаются ограничения
манипуляционных возможностей робота, связанные с кабелями, со¬
единяющими клещи с подвесным трансформатором. Кроме того,
при жестких встроенных элементах вторичного контура значительно
увеличивается срок службы токоведущих элементов и исключается
а
б
Рис. 7.21. Клещи со встроенным трансформатором для роботизированной
точечной контактной сварки (фирма Weber Comechanics, Россия):
а - клещи для сварки кузова автомобиля; б - клещи с радиальным ходом инстру¬
мента, расположенного на кисти робота Fanuc
7.5. Сварочное оборудование робототехнических комплексов
395
нерегулярное дестабилизирующее влияние кабелей вторичного кон¬
тура на погрешность позиционирования.
Третий вариант, который предусматривает использование
клещей со встроенным трансформатором, позволяет применять ро¬
боты широкого назначения для точечной контактной сварки без огра¬
ничения манипуляционных возможностей робота, так как при этом
тяжелые и жесткие кабели вторичного контура заменяются легкими
и гибкими кабелями малого сечения первичного контура. Полное
сопротивление первичного контура предельно снижается, что по¬
зволяет значительно уменьшить габаритные размеры и массу транс¬
форматора. Клещи со встроенным трансформатором обычно ком¬
пактны. Их конструкция предусматривает возможность крепления
к последнему звену робота так, чтобы центр тяжести сварочного ин¬
струмента находился возможно ближе к осям вращения ориентиру¬
ющих перемещений (рис. 7.21, б). Такие клещи для сварки тонколи¬
стовых конструкций имеют массу не более 50 кг, чем и определяется
грузоподъемность роботов, пригодных для точечной контактной
сварки с применением рассматриваемого инструмента. При ис¬
пользовании клещей со встроенным трансформатором кисть робота
должна обеспечивать вращающий момент не менее 120 Н • м, что
соответствует массе клещей 50 кг с расположением центра тяжести
на расстоянии не более 240 мм от осей вращения манипулятора.
Представляется перспективным оборудование для роботизиро¬
ванной точечной контактной сварки с инверторным источником тока,
в котором напряжение питающей сети промышленной частоты сна¬
чала преобразуется в напряжение повышенной частоты (до 750 Гц),
а затем подается на первичную обмотку сварочного трансформа¬
тора; напряжение повышенной частоты, снимаемое с вторичной
обмотки, выпрямляется и используется для сварки. Масса и габа¬
ритные размеры высокочастотного трансформатора при той же мощ¬
ности меньше, чем у низкочастотного, а питание сварочного конту¬
ра выпрямленным током позволяет при необходимости увеличить
длину вылета электродов и раствор электродержателей практически
без изменения мощности. Инверторный источник тока может быть
встроен в клещи или расположен на одном из звеньев робота.
При питании сварочного контура постоянным током кабели, со¬
единяющие клещи с источником (в случае его размещения на одном
из звеньев робота), не подвергаются электродинамическим нагруз¬
кам и поэтому имеют больший срок службы, чем при питании кле¬
щей переменным током.
396
Глава 7. Роботизация процесса сварки
К клещам для роботизированной точечной контактной свар¬
ки независимо от места расположения трансформатора предъяв¬
ляют повышенные требования по быстродействию и надежности.
Для обеспечения надежной работы клещи должны обеспечивать без
профилактического ремонта (даже без смазывания) работу в две сме¬
ны в течение полугода, т. е. около 5 млн срабатываний.
К основным типам конструкций клещей для рассматриваемого
вида сварки относят клещи с радиальным и осевым ходом электро¬
дов (С-образные). При этом и тот и другой тип конструкции должны
предусматривать различные варианты крепления к последнему зве¬
ну робота.
Для клещей с радиальным ходом электродов в качестве плаваю¬
щей подвески применяется подпружиненное шарнирное соедине¬
ние оси качания. Оно фиксирует механизм в свободном положении
при разведенных электродах и исключает колебания при переме¬
щении между точками сварки. Плавающая подвеска С-образных
клещей осуществляется с помощью дополнительного звена, пере¬
мещающегося прямолинейно вдоль оси электродов и фиксирую¬
щегося пружинами в свободном положении. При раздельном пнев¬
моприводе каждого из электродов их самоустановка по изделию
реализуется без дополнительной подвижности клещей - только
за счет пневмосистемы.
Сварочные клещи должны быть снабжены устройством защи¬
ты от поломки при случайных столкновениях с изделием, со сбо¬
рочно-сварочным приспособлениями и с другими частями РТК.
По устройству и принципу работы такие устройства аналогичны
устройствам, применяемым в составе оборудования для роботизи¬
рованной дуговой сварки. Кроме того, изделие и РТК должны быть
защищены от повреждения в случае прихватывания электродов
к металлу изделия. Даже при оптимальном выборе режима сварки
такое прихватывание не исключено. По некоторым данным, возмож¬
но одно прихватывание на 150 тыс. точек. Для защиты от поломок,
обусловленных прихватыванием электродов, можно использовать
устройство защиты от столкновений. Однако более эффективно ос¬
нащать клещи датчиками и использовать специальную подпрограм¬
му (вращение роботом клещей вокруг оси электродов).
В первом случае в клещи встраивают датчики исходного поло¬
жения электродов, датчики раствора (разведения электродов) на ра¬
бочий ход и датчики сжатия электродов. При наличии этих дат¬
чиков контролируется весь цикл работы механизма клещей. Если
7.6. Методы и технические средства адаптации сварочных РТК
397
электроды не разводятся после сварки очередной точки, например
в результате прихватывания электродов, операция сварки данного
изделия прерывается и подается сигнал о неисправности.
Во втором случае, если после выполнения указанной подпро¬
граммы электроды не разводятся, робот останавливается. Подпро¬
грамма вращения роботом клещей вокруг точки сварки использует¬
ся также для периодической зачистки электродов о металл изделия,
что особенно важно при сварке только что зачищенными электрода¬
ми, когда вероятность их прихватывания к изделию выше.
Применяют также устройства для механической зачистки элек¬
тродов. Такое устройство устанавливают около границы рабочей зо¬
ны, и РТК по программе в определенные моменты цикла подводит
клещи в положение зачистки и включает зачистное устройство.
Устройство управления оборудованием для роботизированной
точечной контактной сварки может быть однопрограммным (режим
выбирают при наладке, и по программе он не изменяется) или мно¬
гопрограммным (режим задают при наладке, и по программе воз¬
можен переход на любой из заранее настроенных режимов), а также
интегрированным с системой управления роботом, когда в общей
программе задаются как перемещения, так и параметры режима
сварки.
Для роботизированной точечной контактной сварки перспективно
применение системы замкнутого управления параметрами процесса
в зависимости от электрического сопротивления рабочей зоны.
7.6. Методы и технические средства
адаптации сварочных робототехнических комплексов
Оценка требуемой точности положения свариваемых стыков
при роботизированной сварке. Современные РТК обладают таки¬
ми техническими характеристиками, которые способны обеспечить
практически любую траекторию перемещения горелки с высокой точ¬
ностью, необходимой для процесса дуговой сварки. Однако условия
самого производства далеко не всегда соответствуют этим высоким
требованиям. К числу факторов, затрудняющих применение неадап¬
тивных роботов, следует прежде всего отнести неточность сборки
и расположения свариваемых стыков в пространстве (табл. 7.2).
Эти факторы приводят к поперечному отклонению \] траекто¬
рии движения горелки от линии стыка и возникновению зазора b
398
Глава 7. Роботизация процесса сварки
Таблица 7.2
Технологические параметры основных типов сварных соединений
Группа
параметров
Сварное соединение
Тавровое
Нахлесточное
Параметры
Размеры со¬
единения
Со
S] - толщина
листа 1; 52 -
толщина лис¬
та 2; b - зазор
между кромка¬
ми сваривае¬
мых деталей
Положение
горелки от¬
носительно
соединения
Сварка углом впе¬
ред, в угол
Г| - поперечное
отклонение
траектории
движения
горелки от ли¬
нии стыка; / -
длина вылета
электрода; а,
Р - углы пово¬
рота и наклона
горелки
Сварочный
режим
А - амплитуда
колебаний;
v - скорость
сварки;/в -
сварочный
ток; U - на-
пряжение дуги;
dэ - диаметр
электрода; Q -
расход защит¬
ного газа
Простран¬
ственное
положение
соединения
Сварка на спуск,
в лодочку
4 - угол пово¬
рота соедине¬
ния; у - угол
наклона соеди¬
нения
7.6. Методы и технические средства адаптации сварочных РТК
399
в соединении. Параметры dnp и состав газа выбраны, S] и S2 зада¬
ны, а остальные параметры изменяются согласно технологии, в том
числе и для расширения допустимых смещений электрода и зазора
в свариваемом стыке.
Существующие системы геометрической адаптации роботов
несколько расширяют допустимые пределы отклонений горелки
от линии стыка, но они не обладают универсальностью применения
и значительно уменьшают производительность процесса. В связи
с этим очень важно определить рациональные области использова¬
ния сварочных РТК без адаптации и выявить условия, при которых
необходимо применять адаптивные роботы.
В качестве наиболее простого и наглядного примера рассмотрим
среднюю часть прямолинейного шва. На рис. 7.22 изображены три
линии: 1 - траектория движения электрода; 2, 3 - теоретическое
и фактическое положения линии стыка. Основной причиной некаче¬
ственного (дефектного) соединения является случайное поперечное
отклонение г| траектории движения горелки от фактического поло¬
жения линии стыка на значение, превышающее допустимое. Это от¬
клонение в процессе сварки получается в результате суммирования
погрешности А] траектории движения горелки и погрешности Д2 по¬
ложения самой линии стыка.
Тот участок шва, где конец электрода отклоняется от линии стыка
на величину Г| >5, (предельно допустимого смещения в данную сто¬
рону), оказывается дефектным. Отсюда следует, что отклонение кон¬
ца электрода не должно выходить за пределы зоны шириной 5, + 52 = 5.
Погрешность Д, траектории движения горелки, в свою очередь,
обусловлена:
• погрешностью Дв вследствие неточности воспроизведения
траектории движения горелки роботом;
• погрешностью До, связанной с неточностью обучения робота;
Рис. 7.22. Участок шва, выполняемый на РТК дуговой сварки
400
Глава 7. Роботизация процесса сварки
• поперечным отклонением Дп конца электрода относительно
оси горелки.
У современных роботов для дуговой сварки погрешность Дв
воспроизведения траектории движения электрода не превышает
±0,2 мм, и нет необходимости стремиться к дальнейшему ужесто¬
чению этого показателя, так как другие отклонения оказываются
существенно большими. Так, в реальных условиях для серийных
отечественных сварочных полуавтоматов отклонение Дп при длине
вылета 15 мм достигает ±1 мм вследствие изгиба конца и изнашива¬
ния отверстия токосъемника. Неточность обучения робота зависит
от отклонения Д , поскольку обучение (программирование) роботов
проводят по координате конца проволоки, и от квалификации обслу¬
живающего персонала.
Возможны следующие пути уменьшения значений До и Дп:
• обучение по концу проволоки, предварительно выпрямленной
в «контрольной точке», куда переносится горелка перед обучением
робота;
• применение специальных подающих механизмов, выпрямля¬
ющих проволоку.
Допустимое отклонение конца электрода с сохранением высоко¬
го качества сварного шва, которое может изменяться в самых ши¬
роких пределах, зависит прежде всего от конструкции и размеров
сварного узла. Поэтому значение Дп необходимо определять в каж¬
дом конкретном случае путем предварительных расчетов или непо¬
средственных измерений следующих параметров:
• отклонение размеров входящих в узел деталей и их позицио¬
нирования в сборочном приспособлении, а также деформаций под
действием зажимов и прихваток;
• отклонение положения узла при фиксации в сборочном
приспособлении;
• точность позиционирования сварочного приспособления;
• деформаций, возникающих в процессе сварки.
Такие поэтапные измерения дают представление об основных
причинах нестабильности положения стыка и могут быть использо¬
ваны при разработке технологии роботизированной сварки. Стати¬
стическая обработка результатов измерений партии узлов и деталей
позволяет установить закон распределения отклонений сварочной
проволоки от оси свариваемого стыка.
Адаптация роботов. Учитывая значения допустимых и ожидае¬
мых отклонений сварочной проволоки, можно оценить целесообраз¬
ность сварки даного изделия с помощью робота без адаптации.
7.6. Методы и технические средства адаптации сварочных РТК
401
Отклонение конца электрода можно уменьшить модернизацией
конструкции узла, повышением точности изготовления его элемен¬
тов и сборки, изменением технологии сборки-сварки и прочими ме¬
роприятиями. Если они оказываются недостаточно эффективными
или экономически нецелесообразными, то необходимо применение
адаптивных роботов.
Использование систем адаптации кроме увеличения капиталь¬
ных затрат на оборудование, усложнения (а значит, снижения на¬
дежности) робота и увеличения габаритных размеров инструмента
(если имеется датчик на горелке) также уменьшает производитель¬
ность работы комплекса в зависимости от ожидаемых погрешно¬
стей. Поэтому использование робота с системой адаптации являет¬
ся вынужденной мерой, к которой прибегают для сокращения доли
брака сварки.
Чаще всего адаптация необходима для сварки крупногабарит¬
ных конструкций, но и она не исключает мероприятий по повы¬
шению точности базирования сварных швов на этапе подготовки
производства.
Из практики известно, что разброс отклонений сварочной прово¬
локи от оси свариваемого стыка путем различных усовершенствова¬
ний технологии может быть уменьшен с ±20 до ±5 мм. Применение
робота с системой адаптации обеспечивает ведение горелки по сты¬
ку с отклонениями не выше ±1 мм.
Способы и виды адаптации. Выделяют два существенно различ¬
ных способа адаптации: установочный и текущий.
Установочный способ адаптации основан на оценке фак¬
торов, приводящих к возникновению погрешностей сварочного
процесса, в целях их ограничения путем проведения предваритель¬
ной точной настройки параметров. Текущий способ адаптации
предусматривает оперативную коррекцию программы работы РТК
в процессе обработки изделия.
Существует два наиболее широко распространенных вида
адаптации роботизированной дуговой сварки: технологическая
и геометрическая.
Особенность технологической адаптации состоит в том,
что компенсация отклонений реальной линии стыка свариваемых
элементов от заданной, а также погрешностей самих изделий осу¬
ществляется на основе изменения технологических параметров (на¬
пример, силы сварочного тока). При технологической адаптации
слежение за фактической линией стыка выполняется путем оценки
402
Глава 7. Роботизация процесса сварки
отклонений технологических параметров, возникающих при оши¬
бочных движениях сварочной головки.
При геометрической адаптации подстройка к факти¬
ческому положению линии стыка проводится путем непрерывно¬
го наблюдения в реальном времени за траекторией сварного шва.
На основе этих наблюдений устройство управления предупрежда¬
ет ошибочные движения и корректирует форму кривой, запрограм¬
мированной в процессе обучения сварочного РТК. Геометриче¬
ская адаптация, усложняя аппаратуру и программное обеспечение
робота, вместе с тем позволяет снизить точность программирова¬
ния (обучения) и благодаря этому упростить процедуру обучения.
Адаптацию этого вида применяют в большем количестве случаев,
чем технологическую.
Два вида адаптации рассмотрим на условной модели робота для
дуговой сварки с пятью степенями подвижности, каждая из которых
обеспечивается следящим приводом (рис. 7.23). Три главных дви¬
жения вдоль осей X, У, Z обеспечивают возможность перемещения
сварочной горелки в любую точку рабочей зоны, два локальных дви¬
жения (А и В) определяют ориентацию запястья, а также угол между
осью горелки и линией стыка свариваемых элементов (рис. 7.23, в).
В системе управления с технологической адаптацией
(рис. 7.23, а) используется контур обратной связи по силе тока.
В процессе непрерывного слежения за сварочным током форми¬
руется информация, поступающая через шунтирующее сопро¬
тивление 1 в технологический контролер 2, который выполняет
необходимые поправки, посылая информацию в геометрический
Рис. 7.23. Функциональная схема системы управления и схема движений
сварочной горелки при технологической (а) и геометрической (б) адапта¬
ции робота
а
б
7.6. Методы и технические средства адаптации сварочных РТК
403
корректор 3. При постоянной скорости подачи электродной прово¬
локи отклонение длины дуги приводит к изменению сварочного то¬
ка, что позволяет определить отклонения геометрии профиля шва.
Для этого сварочная горелка должна совершать поисковые движе¬
ния в направлении, перпендикулярном к линии шва.
В случае геометрической адаптации манипуляционная система
РТК дополняется шестой степенью подвижности, обеспечиваю¬
щей движение вдоль оси Y (рис. 7.23, б) и осуществляющей скани¬
рование траектории в плоскости, перпендикулярной к линии шва.
На рабочем органе установлена бесконтактная сенсорная система,
включающая в себя излучатель и приемник. Сигнал излучателя, от¬
ражаясь от поверхности свариваемого элемента, регистрируется
приемником.
Геометрическая адаптация роботов для сварки возможна на лю¬
бом уровне управления (см. рис. 7.10). В отдельных, более простых
случаях ее выполняют, как показано выше, на уровне 1 (исполни¬
тельном) с помощью «свободных» степеней подвижности манипу¬
ляционной системы. К преимуществам систем с использованием
адаптации на уровне 1 относят простоту и низкую стоимость, воз¬
можность применения серийно изготовляемых систем управления,
простое программирование, а недостатком является возможность
решения лишь частных, наиболее простых задач адаптации.
Сенсорные системы. Реализованные в настоящее время систе¬
мы адаптации сварочных роботов различаются прежде всего вос¬
принимающими устройствами - датчиками, или сенсорами.
Одной из наиболее сложных научно-технических проблем явля¬
ется создание датчиков, пригодных для эксплуатации в условиях ре¬
ального сварочного производства.
К датчикам, применяемым в сварочных процессах, предъявляют
следующие требования:
• их конструкция и габариты не должны существенного влиять
на геометрические параметры сварочной горелки и нарушать усло¬
вия ее функционирования;
• датчик должен быть инвариантен к внешним воздействиям:
тепловым и световым потокам, магнитным полям, шумам и загряз¬
нениям системы управления.
Датчик можно рассматривать как тактильный прибор или
устройство другой физической природы (например, датчик расстоя¬
ния до поверхности изделия). В области датчиков для адаптации сва¬
рочных роботов работы ведутся в четырех основных направлениях:
404
Глава 7. Роботизация процесса сварки
создание электромеханических датчиков и устройств прямого копи¬
рования; создание индуктивных датчиков; создание сенсорных си¬
стем с использованием сварочной дуги в качестве датчика; создание
видеосенсорных систем (см. гл. 4).
Наиболее простой является задача поиска начальной точки шва
ввиду отсутствия помех, возникающих в ходе сварочного процесса,
и она решается с помощью тактильных, индуктивных и оптических
датчиков.
Принцип работы проволочного тактильного датчика (каса¬
ния) отражает рис. 7.24. Робот автоматически отыскивает требуемое
место начала сварки, если исходное отклонение от программного
значения не превышает заданных пределов.
В ИЭС им. Е.О. Патона разработано устройство прямого копи¬
рования периодического действия, позволяющее корректировать
положение сварочной горелки по фактическому положению свари¬
ваемых элементов с погрешностью не более ±0,5 мм в поперечном
и ±1 мм в вертикальном направлении при сварке прежде всего тав¬
ровых, а также стыковых с разделкой угловых и нахлесточных со¬
единений (диапазон коррекции в обоих направлениях ±7 мм).
Каждый цикл коррекции состоит из следующих операций: рас-
фиксация горелки по двум дополнительным подвижностям, выдви¬
жение щупа до упора в поверхности свариваемых элементов, фикса¬
ция горелки по двум дополнительным подвижностям, выдвижение
щупа до упора в поверхности свариваемых элементов, фиксация го¬
релки по двум дополнительным подвижностям и отвода щупа.
Время непрерывного пребывания щупа вблизи точки сварки ис¬
числяется долями секунды, щуп практически не нагревается и не
забрызгивается.
Принцип действия индуктивных датчиков, измеряющих
расстояние до поверхности изделия, основан на использовании яв¬
ления электромагнитной индукции. При внесении в поле датчика
Рис. 7.24. К пояснению принципа работы
тактильного датчика:
А, В- места начала и конца траектории поиска на¬
чальной точки сварки С; А\ В' - базовые точки;
волнистая линия - траектория поиска; прямая ли¬
ния - траектория скоростной подачи
С
В, В'
LjA'
7.6. Методы и технические средства адаптации сварочных РТК
405
контролируемого металлического изделия изменяются параметры
этого поля, которые регистрируются датчиком. Сигнал датчика пре¬
образуется к виду, удобному для дальнейшей обработки.
Применение индуктивных датчиков в системах адаптивного
управления роботами для дуговой сварки требует в общем случае
трех переносных степеней подвижности манипулятора для свароч¬
ного инструмента с закрепленными на нем датчиками адаптации.
С использованием индуктивных датчиков в ИЭС им. Е.О. Пато-
на на базе манипулятора рабочего инструмента «Универсал 15М»
и устройства ЧПУ УКМ-772 разработана система адаптивного
управления роботом для дуговой сварки. В ее состав наряду с вну¬
тренними контурами управления по скорости и положению зве¬
ньев манипулятора введены контуры управления по информации
от внешней среды.
Согласно рис. 7.25, адаптация робота осуществляется на испол¬
нительном уровне системы управления путем использования для от¬
работки рассогласования привода манипуляционной системы робо¬
та по соответствующей степени подвижности.
Система предназначена для управления роботом при сварке
угловых соединений, в связи с чем она оснащается двумя датчиками
расстояния до поверхности изделия по координатам Y и Z. Это дает
возможность корректировать положение электрода по фактическому
Рис. 7.25. Упрощенная структурная схема системы адаптивного управле¬
ния с индуктивными датчиками:
УВВ - устройство ввода-вывода; ПО - пульт обучения; ИОСП - интерфейсные
блоки обратной связи по положению; ЦАП - цифроаналоговый преобразователь;
КУ - коммутирующее устройство; Uz - преобразователь датчика; ИМ - исполни¬
тельный механизм манипулятора сварочного инструмента; СГ - сварочная горел¬
ка; Дг Д7- индуктивные датчики расстояния
406
Глава 7. Роботизация процесса сварки
положению линии углового соединения в двух взаимно перпенди¬
кулярных направлениях, каждое из которых, в свою очередь, пер¬
пендикулярно к направлению программного движения рабочего
инструмента.
Для управления положением сварочного инструмента по инфор¬
мации, получаемой датчиками в системе управления, использован
метод переключения приводов отдельных степеней подвижности
манипулятора сварочного инструмента с режима программного
управления на режим управления от датчиков, измеряющих факти¬
ческое расстояние до поверхности свариваемых элементов.
Испытания данной системы адаптивного управления с индук¬
тивными датчиками расстояния до поверхности изделия при дуго¬
вой сварке угловых соединений показали, что погрешность наведе¬
ния сварочной горелки на линию стыка не превышает 0,7 мм.
Нередко датчиком положения горелки служит сама электри¬
ческая дуга, параметры которой изменяются при ее сдвиге
по отношению к средней линии сварного шва (см. рис. 7.25).
Путем сравнения значений электрических параметров дуги, из¬
меренных в разных позициях, вычисляется требуемое положение ду¬
ги относительно сварного шва. Полученные в результате измерений
сигналы используются для коррекции позиций горелки по высоте
и в направлении, перпендикулярном к линии шва. Они отрабатыва¬
ются контурной системой управления РТК по степеням подвижно¬
сти до тех пор, пока отклонение не будет сведено к нулю.
Необходимость сканирования дуги поперек линии стыка тре¬
бует осуществления колебаний механическим путем, что не всегда
приемлемо по технологическим соображениям, либо электромаг¬
нитным способом, что обусловливает присутствие в зоне сварки до¬
полнительных устройств. В то же время по сравнению с другими
типами датчиков электрическая дуга как сенсор наилучшим образом
удовлетворяет требованиям к адаптивным устройствам, используе¬
мым в сварочных процессах. Большим преимуществом этого спосо¬
ба измерений является отсутствие запаздывания измеряемого сигна¬
ла, так же как и отсутствие проблем защиты от тепловых и световых
потоков.
Использование описанной системы адаптации на промышлен¬
ном роботе «КУКА» 601/60-СР позволило успешно осуществлять
сварку при отклонении положения сварного шва до ±5 мм. Рассма¬
триваемый принцип наиболее эффективен при сварке V-образных
и угловых швов.
7.6. Методы и технические средство адаптации сварочных РТК
407
Наиболее информативными и поэтому самыми универсальными,
но сложными и дорогостоящими являются видеосенсорные
системы. Основные составляющие системы, работа которой осно¬
вана на измерении методом триангуляции, показаны на рис. 7.26.
Поскольку сенсорная система определяет положение линии сты¬
ка, находясь перед сварочной горелкой 7, корпус видеосенсора 2 (из¬
мерительный блок с осветителем и фотоприемником) жестко связан
с горелкой, причем расстояние между ними составляет 20...50 мм.
Разрешающая способность системы по толщине стыка составляет
около 0,2 мм, максимальная ширина обзора - по 13 мм в каждую
сторону от середины поля.
На основе видеосенсорной системы принцип геометрической
адаптации технически реализован для робота модели РБ-251, соз¬
данного по программе СЭВ «Интерробот». Робот имеет семь сте¬
пеней подвижности, пять из них аналогичны представленным
на рис. 7.26, а, а две дополнительные дистанционно управляют
сварочным столом, что облегчает ориентирование и позициониро¬
вание деталей в процессе сварки. Для осуществления адаптации
введена восьмая степень подвижности, принадлежащая запястью
робота. Эта степень подвижности осуществляет сканирование тра¬
ектории в плоскости, перпендикулярной к шву. На рабочем органе
а б
Рис. 7.26. Типы видеосенсоров, размещаемых на сварочном РТК:
а - без защиты от воздействия дуги; а - с защитой от воздействия дуги (видеосенсор
Smart Laser Sensor фирмы Meta Vision Systems Ltd.); 1 - горелка; 2 - видеосенсор
408
Глава 7. Роботизация процесса сварки
установлена бесконтактная сенсорная система, включающая в себя
излучатель (инфракрасный лазер непрерывного действия) и прием¬
ник. Луч лазера, отражаясь от поверхности свариваемого элемента,
регистрируется приемником. Бесконтактный датчик излучения вы¬
полняет четыре сканирующих движения в течение 1 с и позволяет
определять отклонение фактической линии соединения свариваемых
элементов до ±40 мм. Расстояние между точкой измерения и свароч¬
ной горелкой составляет 40 мм. Таким образом, при максимальной
скорости сварки 4 мм/с показания снимаются на каждом миллиметре
по длине шва. На основе этих вычислений выполняется прогнозиро¬
вание фактической траектории с точностью, удовлетворяющей высо¬
ким требованиям, предъявляемым к сварочному процессу.
Системы технического зрения при роботизированной сварке.
Современный этап развития робототехники характеризуется устой¬
чивой тенденцией к повышению роли технологических роботов,
непосредственно выполняющих основные производственные опе¬
рации (сварку, окрашивание, механическую обработку, сборку, мон¬
таж электронных схем и т. п.), по сравнению со вспомогательными
роботами, обслуживающими основное технологическое оборудова¬
ние. Соответственно возрастает значение эффективного применения
систем технического зрения (СТЗ) в комплексе с технологическими
роботами, что придает последним качественно новые возможности,
особенно в гибких производственных системах.
Сварочное производство является одним из главных потреби¬
телей роботов, которые уже давно стали массовым и привычным
оборудованием точечной контактной сварки и все шире внедряются
на операциях дуговой сварки.
Для очувствления сварочных роботов используют различные
датчики контактного и бесконтактного типа (механические щупы,
тактильные, электромагнитные и дуговые датчики), рассмотрен¬
ные выше для автоматической и механизированной дуговой свар¬
ки. Естественно, что важное место в системах адаптации сварочных
роботов отводится и техническому зрению. При создании СТЗ для
роботизации сварки приходится преодолевать специфические труд¬
ности, обусловленные сильными помехами от яркого света дуги (го¬
релки) и сварочной ванны, необходимостью защиты видеосенсора
от брызг расплавленного металла, загрязнения, воздействия теплоты
и агрессивной газовой среды, неравномерностью отражения света
от поверхности свариваемых элементов. Поэтому наряду с попыт¬
ками использования стандартных промышленных телевизионных
7.6. Методы и технические средства адаптации сварочных РТК
409
установок активно разрабатываются специальные СТЗ, ориенти¬
рованные на решение сварочных задач. В состав этих СТЗ входят
осветители с направленным и монохроматическим излучением или
модулированным световым потоком, избирательные фильтры, све¬
товоды, устройства охлаждения и защиты, различные видеосенсо¬
ры, а также аппаратные и программные средства обработки виде¬
оинформации для быстрого поиска средней линии свариваемого
соединения. Видеосенсоры при этом устанавливают как в непо¬
средственной близости от точки сварки (часто монтируются вместе
со сварочной головкой), так и на некотором удалении от нее для об¬
наружения шва «с опережением» и снабжаются системами зеркал,
двигателями для сканирования зоны. Приведем несколько примеров.
Система ARTIST (Adaptive Real-Time Intelligent Seam Tracker) -
адаптивная интеллектуальная система слежения за линией стыка
в реальном времени (разработка Университета штата Пенсильвания,
США) - предназначена для роботизации сварки без необходимости
предварительного программирования сварочного робота путем его
проведения по требуемой траектории. Это достигается благодаря то¬
му, что система ARTIST (рис. 7.27) способна управлять движением
сварочной головки в реальном времени на основании видеоинфор¬
мации об искажении лазерного луча на стыке свариваемых деталей.
Видеосенсор с лазерным излучателем (фирма Chesapeake Laser
Systems, США) определяет профиль линии стыка методом триангу¬
ляции. Максимальное число точек измерения равно 1000, скорость
Рис. 7.27. Схема дуговой сварки роботом с СТЗ:
У - видеосенсор; 2 - сварочная головка; 3 - щиток; 4 - позиции коррекции; 5 - линия
сканирования; 6 - стык; 7 - лазерный луч; 8 - телекамера; Р - робот; СО - сварочное
оборудование; УУР - устройство управления робота; СС - сварочный стол; КСС -
контроллер сварочного стола; ИСС - интерфейс сварочного стола; СУУ - суперви-
зорное устройство управления; ПЭВМ - интерфейс микроЭВМ; ПОИ - процессор
обработки изображения; СП - специализированный препроцессор
410
Глава 7. Роботизация процесса сварки
измерения - несколько миллисекунд на точку, погрешность не более
±0,125 мм на линии шириной 32 мм. Видеосенсор снабжен щитком
от попадания брызг расплавленного металла, светофильтром для за¬
дымленной среды и специализированным препроцессором, преобра¬
зующим исходную видеоинформацию в последовательность значе¬
ний отклонений оси объектива от средней линии стыка. Эти сигналы
поступают в микроЭВМ типа IBM PC, где вместе с текущими коорди¬
натами видеосенсора используются для определения пространствен¬
ного положения стыка в системе координат рабочего органа РТК.
Программное обеспечение имеет модульную структуру и реали¬
зует следующие алгоритмы: сбора данных о профиле стыка (с управ¬
лением частотой съема и временем задержки); фильтрации ошибоч¬
ных отсчетов, вызванных, например, отражением луча от блестящих
участков сварочной ванны; обработки видеоинформации с сегмен¬
тацией изображений, что позволяет достаточно точно определять
V-образную разделку, валики прихваточного шва, среднюю линию
и кромки стыка; преобразования геометрических параметров стыка
в систему координат сварочной головки.
Система ARTIST ориентирована на использование вместе с пор¬
тальным роботом Unimate 6000 (шесть степеней подвижности)
и рассчитана на многопроходную сварку швов с V-образной раздел¬
кой со скоростью до 25,4 мм/с.
Структура очувствления роботизированного комплекса для
сварки двигателя космического корабля «Шаттл», разработанная
совместно НАСА и компанией Rockwell International, показана
на рис. 7.28. Для каждого двигателя, который состоит из большого
числа деталей, изготовленных из различных жаропрочных сплавов
и значительно различающихся по толщине, типам разделки кромок,
отражательной способности, необходимо сварить до 3 тыс. швов,
многие из них многопроходные. Эти факторы наряду с повышенны¬
ми требованиями к качеству изделия не позволяют применять тра¬
диционные средства автоматизации сварки, и около 50% сварочных
операций приходится выполнять вручную.
Для роботизации части этих операций предложено использовать
робот Суго 750 (фирма Advanced Robotics, США) и СТЗ с видеосенсо¬
ром, разработанным в университете штата Огайо, приемник которого
устанавливается непосредственно в сварочной головке соосно с элек¬
тродом и связан гибким оптоволоконным световодом с ПЗС-камерой.
Полученное изображение далее обрабатывается процессором
PDP 11/45, который, в свою очередь, обменивается информацией
7.6. Методы и технические средства адаптации сварочных РТК
411
Рис. 7.28. Система включения СТЗ в адаптивный роботизированный ком¬
плекс для сварки двигателя космического корабля «Шаттл»:
1 - ПЗС-камера; 2 - оптоволоконный световод; 3 - соосный оптический приемник;
4 - шов; 5 - окно слежения за линией стыка; 6 - тень от электрода; 7 - окно измере¬
ния ширины сварочной ванны; 8 - сварочная головка; 9 - дисплей; КСО - контрол¬
лер сварочного оборудования
с центральной ЭВМ VAX 11-780 производственной ячейки. Имеющи¬
еся средства графического моделирования и САПР дают возможность
оператору в интерактивном режиме выбирать вид и параметры ал¬
горитмов выделения характерных признаков, чтобы СТЗ наилучшим
образом выявляла швы разных типов и определяла их геометрические
характеристики. Адаптивная коррекция движений робота в режиме
контурного управления рассчитана на скорость сварки до 5 мм/с.
Компания Norfolk & Western Railway (США) применила стерео¬
зрение для формирования пространственной траектории движения
робота, приваривающего вкладыши размером 190 х 230 мм в тяже¬
лые (500 кг) рамы колесных тележек бункерных вагонов во время
их ремонта. Длина каждого шва составляет около 90 см, скорость
сварки - 25 см/мин. Поскольку точная пространственная фиксация
вкладышей крайне затруднена, специалисты компании сочли целе¬
сообразным использовать сварочный робот AID-800 в адаптивном
412
Глава 7. Роботизация процесса сварки
Рис. 7.29. Стереосистема пространственной коррекции траектории движе¬
ния робота AID-800:
1 - телекамера; 2 - вкладыш; 3 - рама
режиме, снабдив его СТЗ с парой твердотельных телекамер, укре¬
пленных на расстоянии 76,2 см одна от другой (рис. 7.29).
Бинокулярная СТЗ фирмы Automatix Robotic Systems (США)
по двум изображениям методом триангуляции находит трехмерные
координаты крайних точек прорези в середине вкладыша и по из¬
вестным его размерам определяет траекторию будущего сварного
шва. Процесс от начала движения робота к рабочей позиции до на¬
чала сварки занимает менее 6 с. Вычислительная часть системы
строится на базе микропроцессора Motorola 6800. Для программи¬
рования СТЗ и робота оператор может пользоваться удобным язы¬
ком RAIL. Вся процедура калибровки и обучения системы для рабо¬
ты с новым классом деталей занимает не более 1 ч.
Контрольные вопросы
1. Приведите состав РТК комплекса для сварки. Перечислите варианты
перемещения сварочного инструмента и изделия манипуляционной систе¬
мой робота при сварке.
2. Перечислите основные компоновочные схемы манипуляторов сва¬
рочного инструмента, применяемые в РТК ДС, и дайте их характеристику.
3. Укажите виды приводов, применяемых в РТК для перемещения сва¬
рочного инструмента и изделия. Каковы требования к динамическим ха¬
рактеристикам приводов при разгоне и торможении?
Контрольные вопросы
413
4. Перечислите уровни иерархии управления при построении системы
управления РТК.
5. Приведите основные методы программирования и обучения РТК
и дайте им характеристику.
6. Охарактеризуйте состав и особенности сварочного оборудования
в структуре РТК ДС.
7. Приведите состав сварочного оборудования в РТК для контактной
сварки и варианты размещения сварочного трансформатора.
8. Перечислите способы, виды и технические средства для адаптации
сварочных роботов.
9. Охарактеризуйте технические возможности интеллектуальных РТК
с системой технического зрения. Приведите примеры использования ин¬
теллектуальных РТК при роботизированной сварке ответственных деталей.
10. Какие технологические и производственные преимущества дает
интеграция операций при роботизированной сварке?
11. В чем заключается сущность комплексной роботизации сварочно¬
го производства? Дайте определение и характеристику гибких производ¬
ственных систем с РТК.
Заключение
Анализ принципов действия и конструкций сварочных автома¬
тов позволяет сделать следующие выводы относительно уровня раз¬
работок и основных тенденций их развития.
Одним из важнейших остается принцип агрегатирования аппа¬
ратов различного назначения из унифицированных функциональ¬
ных узлов и блоков.
Существенно расширено применение в сварочных автоматах
систем автоматического регулирования и стабилизации техноло¬
гических параметров режима, систем слежения за линией стыка
и автоматического направления в процессе сварки сварочного ин¬
струмента (дуги, пучка), средств автоматического зажигания дуги
и устройств заварки кратера, систем программного управления па¬
раметрами режима сварки.
Сварочные аппараты следует снабжать средствами измерения
и регистрации силы сварочного тока и напряжения на дуге, скоро¬
сти подачи проволоки, скорости сварки, расхода и состава защит¬
ного газа, наличия и влажности флюсов, а также средствами изме¬
рения параметров стыка, подготовленного под сварку, и параметров
сварных швов. Кроме того, сварочные автоматы должны оснащать¬
ся исполнительными механизмами и устройствами, пригодными для
использования в системах автоматического управления процессами
и операциями сварочного производства.
При реализации систем управления и регистрации технологи¬
ческих параметров сварки, приводов перемещения сварочного ин¬
струмента или изделия наметилась тенденция перехода от средств
аналоговой техники к цифровой, в частности применение микро¬
процессоров в системах управления. Это позволяет существенно
расширить функциональные возможности систем автоматики, ми¬
нимизировать их габариты, повысить надежность и ремонтопригод¬
ность, на цифровых индикаторах и дисплеях отображать текущие
параметры и характеристики технологического процесса.
С использованием современных интерфейсов достаточно про¬
сто решается задача сопряжения штатного сварочного оборудования
с устройствами управления любой сложности.
Практическое решение получают следующие задачи: сбор и обра¬
ботка данных о процессе сварки и функционировании оборудования
Заключение
415
(информационно-измерительные системы); программирование ре¬
жимов сварки; адаптивное управление процессом сварки по инфор¬
мации с датчиков о значениях технологических параметров, геоме¬
трических параметров и пространственного положения свариваемого
стыка; автоматизация нормирования сварочных работ (в том числе
и выбора режимов) с помощью электронных советчиков технолога;
автоматизация выбора режимов сварки непосредственно на свароч¬
ном оборудовании по данным об основных технологических услови¬
ях (тип и пространственное положение шва, толщина и марка свари¬
ваемого металла и др.).
За последние годы существенно расширено информационное
обеспечение автоматизированных сварочных установок и роботов
за счет их оснащения современными измерительными устройства¬
ми с малогабаритными датчиками, работающими на различных фи¬
зических принципах. Интеграция информационной и управляющей
частей систем управления, их реализация на элементах цифровой
и микропроцессорной техники позволяют разработать и внедрить
новый класс адаптивных АСУ в сварочной аппаратуре, построить
на ее основе эффективные автоматизированные комплексы для рас¬
смотренных способов сварки.
Сварочные комплексы имеют, как правило, модульный принцип
построения. В качестве модулей в них используются унифициро¬
ванные механические устройства прямолинейного и кругового пе¬
ремещений сварочных головок, манипуляторы изделий, устройства
регистрации и управления параметрами сварочного оборудования,
устройства дистанционного наблюдения (преимущественно теле¬
визионные) за процессом сварки, инверторные источники питания
с автономными и встроенными в них блоками подачи электродной
проволоки, блоками программирования параметров режима, пуль¬
тами управления, со сменными модулями сварочных головок и га¬
зовых систем.
На основе все возрастающего уровня автоматизации сварочных
комплексов, повышения надежности применяемых в них техниче¬
ских средств возрастает степень интеграции сварочных операций
в одном агрегате и на одном рабочем месте, в первую очередь за счет
создания многопозиционных и многоместных установок и станков
и применения одновременной сварки несколькими головками.
Реализация упомянутого способа сварки возможна как разбив¬
кой одного шва между несколькими сварочными инструментами
(для швов большой длины), так и путем выполнения нескольких
416
Заключение
параллельных швов. При этом важным направлением дальнейшего
совершенствования этих установок остается задача их оснащения
средствами позиционного и контурного ЧПУ положением свароч¬
ного инструмента и изделия, что позволит повысить уровень авто¬
матизации сварки изделий сложной формы и получить сварные швы
заданного качества на объектах ответственного назначения.
В области роботизации сварочного производства актуальной
остается проблема совершенствования гибких производственных
систем с использованием на рабочих местах как одиночных, так
групповых РТК, которые в автоматическом режиме решают задачи
сборки, загрузки, сварки и выгрузки с рабочего места готовой про¬
дукции. Успешное выполнение этих операций неосуществимо без
средств очувствления РТК. Вопросы очувствления (адаптации) ро¬
ботов напрямую связаны с решением задач геометрической и техно¬
логической адаптации РТК при дуговой и контактной сварке.
При оснащении РТК сварочным оборудованием необходимо
учитывать специфику требований к нему при роботизированной
сварке. Высокий уровень адаптации, правильно подобранное в РТК
сварочное оборудование гарантируют качественную работу гибких
производственных систем в автоматических линиях при роботизи¬
рованной сварке.
Литература
Основная
Алексеев А. А., Кораблев Ю. А., Шестопалов М. Ю. Идентифика¬
ция и диагностика систем: учебник для студентов высш. учеб, заве¬
дений. М.: Изд. центр «Академия», 2009. 352 с.
Воротников С. А. Информационные устройства робототехни¬
ческих систем: учеб, пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана,
2005. 380 с.
Гладков Э.А. Управление процессами и оборудованием при
сварке: учеб, пособие для студентов высш. учеб, заведений. М.: Изд.
центр «Академия», 2006. 432 с.
Гладков Э.А., Киселев О. Н., Перковский Р.А. Контроль и управ¬
ление глубиной проплавления при дуговой сварке: учеб, пособие.
М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. 72 с.
Гладков Э.А., Малолетков А. В. Управление технологическими
параметрами сварочного оборудования при дуговой сварке сварке:
учеб, пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. 210 с.
Куркин С. А.,Ховов В. М. Компьютерное проектирование и подго¬
товка производства сварных конструкций: учеб, пособие. М.: Изд-во
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. 463 с.
Методы классической и современной теории автоматического
управления: учебник / под. ред. К. А Пупкова, Н. Д. Егупова. Т. 1-2.
М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004.463 с.
Милютин В. С, Шалимов М. П., Шанчуров С. М. Источники пи¬
тания для сварки: учебник. М.: Айрис-Пресс, 2007. 379 с.
Оборудование для контактной сварки: справ, пособие / под ред.
В. В. Смирнова. СПб.: Энергоатомиздат, 2000. 844 с.
Сварка, резка, контроль: справочник / под ред. Н.П. Алешина и
Г. Г. Чернышова. Т. 1. М.: Изд-во Машиностроение, 2004. 620 с.
Системы ориентации электрода по линии стыка: учеб, посо¬
бие / Э. А. Гладков, О. Н. Киселев, Р. А. Перковский и др. М.: Изд-во
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. 86 с.
Современные системы управления: пер. с англ. Б. И. Копылова.
М.: Лаборатория базовых знаний, 2002. 832 с.
Управление электронно-лучевой сваркой: учеб, пособие /
В. Д. Лаптенок, А. В. Мурыгин, и др.; под ред. В. Д. Лаптенка. Крас¬
ноярск: Изд-во САА, 2000. 234 с.
418
Литература
Шандров Б. В., Чудаков А. Д. Технические средства автоматиза¬
ции: учебник для студентов высш. учеб, заведений. М.: Изд. центр
«Академия», 2007. 368 с.
Дополнительная
Васильев В.П., Муро Э.Л., Смольский С.М. Основы теории и
расчета цифровых фильтров: учеб, пособие / под ред. С.М. Смоль-
ского. М.: Изд. центр «Академия», 2007. 272 с.
Гилъмар У. Введение в микропроцессорную технику / пер. с англ.
В.М. Кисельникова. М.: Мир, 1984. 334 с.
Гладкое Э. А., Чернышов Г. Г. Математические модели для иссле¬
дования, расчета и проектирования сварочных процессов: учеб, по¬
собие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1989. 110 с.
Гэльденберг Л. М, Матюшкин Б.Д., Поляк М. Н. Цифровая об¬
работка сигналов: учеб, пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1990.
256 с.
Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных
устройствах. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат, Ленингр.
отд-ние, 1988. 302 с.
Келим Ю.М. Типовые схемы систем автоматического управле¬
ния. М.: ФОРУМ; ИНФРА-М, 2002. 384 с.
Пашкевич А.Н. Автоматизированное проектирование роботов
и робототехнических комплексов для сборочно-сварочных произ¬
водств: учеб, пособие. Минск: Изд-во Белорус. ГУ информатики и
радиоэлектроники (БГУИР), 1996. 101 с.
Солодовников В. В., Плотников В. Н., Яковлев А. В. Основы тео¬
рии и элементы систем автоматического регулирования: учеб, посо¬
бие для вузов. М.: Машиностроение, 1985. 536 с.
Оглавление
Предисловие 3
Введение 5
Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок 10
1.1. Классификация элементов автоматики 10
1.2. Датчики 11
1.2.1. Основные характеристики датчиков 11
1.2.2. Датчики линейного перемещения 14
1.2.3. Датчики угла поворота 23
1.2.4. Датчики скорости вращения 27
1.2.5. Датчики силы 29
1.2.6. Датчики температуры 31
1.2.7. Датчики электрических параметров 37
1.2.8. Датчики магнитного поля 38
1.3. Устройства передачи информации 39
1.3.1. Передача бинарной информации 39
1.3.2. Передача аналоговой информации 41
1.3.3. Передача цифровой информации 44
1.3.4. Промышленные сети 45
1.4. Усилители 46
1.4.1. Магнитные усилители 48
1.4.2. Тиристорные усилители 49
1.4.3. Транзисторные усилители 51
1.4.4. Интегральные усилители 54
1.5. Исполнительные устройства 56
1.5.1. Электрические серводвигатели постоянного тока.... 56
1.5.2. Электрические серводвигатели переменного тока... 62
1.5.3. Пневматические двигатели 63
1.5.4. Гидравлические двигатели 66
1.6. Устройства управления 68
1.6.1. Аналоговые устройства управления 68
1.6.2. Цифровые устройства управления 75
Глава 2. Сварочные процессы как объекты регулирования
и управления 85
2.1. Общая характеристика объектов автоматизации 85
2.2. Особенности автоматизации процессов в комплексной
задаче механизации и автоматизации сварочного
производства 97
2.3. Классификация возмущений в сварочном контуре 99
2.4. Характеристика физических процессов в объектах
регулирования при различных способах сварки 102
2.5. Управляющие воздействия и показатели качества
сварочного процесса как объекта регулирования 120
420
Оглавление
Глава 3. Системы автоматического регулирования параметров
сварочного процесса и оборудования 144
3.1. Разомкнутые системы автоматического регулирования
параметров процесса и оборудования 144
3.1.1. Настройка параметров и управление режимами
аргонодуговой сварки неплавящимся
электродом 144
3.1.2. САР параметров дуги и процесса формирования
шва при сварке неплавящимся электродом 147
3.1.3. Настройка параметров и управление режимами
ручной дуговой сварки покрытыми электродами
и механизированной сварки в среде защитных
газов 150
3.1.4. Системы управления переносом электродного
металла и формированием шва при дуговой
сварке в защитном газе 153
3.1.5. САР параметров дуги и процесса формирования
шва при автоматической сварке под флюсом 179
3.1.6. Системы управления параметрами процесса
и оборудования контактной сварки 186
3.1.7. Системы управления параметрами процесса
и оборудования ЭЛС 191
3.2. Замкнутые системы автоматического регулирования
параметров зоны проплавления в процессе сварки 199
3.2.1. САР глубины проплавления при дуговой сварке.... 199
3.2.2. САР глубины проплавления при ЭЛС 202
Глава 4. Системы слежения за линией стыка при сварке 210
4.1. Системы слежения за линией стыка
при дуговой сварке 210
4.1.1. Системы с копирными датчиками прямого
и непрямого действия 210
4.1.2. Системы непрямого действия с бесконтактными
датчиками. Функциональные схемы следящих
систем 216
4.2. Системы автоматического слежения за линией стыка
при электронно-лучевой сварке 253
4.2.1. Копировально-следящая система 253
4.2.2. Аналого-цифровые системы слежения за линией
стыка с датчиком вторичных электронов 254
4.2.3. Микрокомпьютерная система слежения за линией
стыка с датчиком вторичных электронов 257
4.2.4. Телевизионные следящие системы 261
Глава 5. Системы программного управления сварочными
процессами и оборудованием 265
5.1. Системы программного управления процессами
дуговой сварки 265
5.2. Программное управление процессами
контактной сварки 271
Оглавление
421
5.3. Программное управление процессом
электронно-лучевой сварки 278
5.4. Программное управление траекторией
движения сварочной головки по линии стыка 285
Глава 6. Автоматизированные системы управления
технологическим процессом сварки 289
6.1. Структуры АСУ ТП 289
6.2. АСУ ТП дуговой сварки неплавящимся электродом 291
6.2.1. АСУ ТП однопроходной дуговой сварки труб
из аустенитных сталей 291
6.2.2. АСУ трубосварочным автоматом для
многослойной сварки кольцевых стыков труб ....306
6.3. АСУ ТП дуговой сварки плавящимся электродом 315
6.3.1. Структура микропроцессорной системы
управления оборудованием для
MIG/MAG-сварки 315
6.3.2. АСУ ТП многослойной MIG/MAG-сварки
кольцевых стыков магистральных
трубопроводов 317
6.4. АСУ ТП контактной сварки 323
6.4.1. Иерархия электросварочного оборудования
с микроконтроллерами и ЭВМ 323
6.4.2. Управление точечной контактной сваркой
по математическим моделям 327
6.5. АСУ ТП электронно-лучевой сварки 330
6.5.1. Состав и функциональная схема АСУ ТП 330
6.5.2. Режимы работы микропроцессорной АСУ 333
Глава 7. Роботизация процесса сварки 340
7.1. Особенности роботизированного процесса сварки 340
7.2. Состав робототехнических комплексов 346
7.3. Манипуляционные системы
робототехнических комплексов 349
7.4. Системы управления, методы обучения
и программирования сварочных
робототехнических комплексов 362
7.5. Сварочное оборудование робототехнических
комплексов 377
7.6. Методы и технические средства
адаптации сварочных робототехнических
комплексов 397
Заключение 414
Литература 417
Учебное издание
Гладков Эдуард Александрович
Бродягин Владимир Николаевич
Перковский Роман Анатольевич
Автоматизация
сварочных процессов
Редактор Н. А. Фетисова
Технический редактор Э.А. Кулакова
Корректор Р. В. Царева
Художник Л. С. Ключева
Компьютерная графика В. А. Филатовой
Компьютерная верстка М.А. Гольдман
В оформлении обложки использованы шрифты
Студии Артемия Лебедева.
Оригинал-макет подготовлен
в Издательстве МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Сертификат соответствия № РОСС RU. АЕ51. Н 16228 от 18.06.2012.
Подписано в печать 25.09.2014. Формат 60x90/16.
Уел. печ. л. 26,5. Тираж 500 экз. Заказ 558
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская, 5, стр. 1.
press@bmstu.ru
www.baumanpress.ru
Отпечатано в типографии МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1.
baumanprint@gmail.com