Э. А. Гладков,В. Н. Бродягин,Р. А. ПерковскийАвтоматизация сварочных процессов
 Скачать 1.98 Mb.
|
|
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 g k (t). Они либо вырабатываются управляющим устройством, либо задаются человеком. Другие воздействия на объект, не связанные с задачами и результа- тами управления, называют возмущениями f n (t). 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 Контрольные вопросы 143 непосредственного измерения в процессе сварки основного пока- зателя качества – диаметра ядра d я 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 парогазовом канале при ЭЛС. 7. Охарактеризуйте стадии существования элементарного контакта при контактной сварке оплавлением. 8. Какова структура сварочного контура источник питания – источник нагрева – сварочная ванна? Дайте характеристику возмущений при различ- ных способах сварки. 9. Охарактеризуйте параметры режима, управляющие, возмущающие воздействия и показатели качества при ЭЛС. 10. Дайте характеристику управляющих и возмущающих воздействий при контактной стыковой сварке. Каковы критерии качества сварки? При- ведите 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 207 3.2. Замкнутые САР параметров зоны проплавления в процессе сварки (рис. 3.38) позволяет оперативно в процессе сварки вести измерение парамеров 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 I фок (рис. 3.39). При этом минимальная высота факела H ф 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 f (I д ) для статической ВАХ дуги, определяемой ГОСТ Р МЭК 60974–2004. фок фок фок Рис. 3.39. Зависимость глубины проплавления Н и высоты факела H ф от тока фокусировки I фок вблизи точки оптимального режима Контрольные вопросы Глава 3. САР параметров сварочного процесса и оборудования 208 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 при 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 k 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) Контрольные вопросы 263 Блоки синхронизации 11 и развертки 12 обеспечивают получе- ние изображения зоны сварки путем ее построчного разложения на экране 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. Глава 4. Системы слежения за линией стыка при сварке 264 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 Системы 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 временны´м 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 t п.г предварительной продувки газа, затем включается осциллятор и воз- буждается дуга, после чего запускаются реле времени: задержки t РНД включения регулятора напряжения дуги (РНД), задержки t з.пр включе- ния привода подачи присадочной проволоки, задержки t з.к включения привода каретки. После отработки задержки включения РНД уста- навливает требуемое напряжение на дуге либо периодически изме- няет его (например, при импульсно-дуговой сварке). С момента t н.п Контрольные вопросы 287 программа автоматически генерирует управляющую программу по чертежу детали. Затем управляющая программа передается тем или иным способом в память станка с ЧПУ. САМ-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 САМ-систем в силу этого весьма сложны для освоения. В графических САМ-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 А6S Arc Master фирмы ЕSАВ, установка для механизированной и роботизирован- ной сварки на базе мультисистемы KM-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 Глава 5. Системы программного управления сварочными процессами и оборудованием 288 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. |