Э. А. Гладков,В. Н. Бродягин,Р. А. ПерковскийАвтоматизация сварочных процессов
 Скачать 1.98 Mb.
|
|
Э. А. Гладков, В. Н. Бродягин, Р. А. Перковский Автоматизация сварочных процессов Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Машиностроение» 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 ISBN 978-5-7038-3861-7 © Гладков Э. А., Бродягин В. Н., Перковский Р. А., 2014 © Оформление. Издательство МГТУ 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. Предисловие 4 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. Введение 6 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 степен и 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. Введение 8 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), Кemppi (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, ААД и др.). 3. По типу технологии: 3.1. Сварка плавлением: 3.1.1. Дуговая: 3.1.1.1. Неплавящимся электродом (РАД, ААД 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 э л е м е н т ы а в т о м а т и к и (рис. 1.1): 1) датчики; 2) устройства передачи сигналов; Глава 1. Элементы автоматики сварочных установок 84 Наиболее распространены ПЛК: • Siemens – SIMATIC S5 и S7; • Omron CJ1, CJ2, CS1; • Schneider Electric – PLC Twido; • Beckhoff; • Rockwell Automation; • ABB – 800 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, энкодеров. 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. |