Лекции - Автоматизация сварочных процессов

Подождите немного. Документ загружается.

помощью функционального блока управления 2, который через источник тока 3

воздействует на ток фокусирующей магнитной линзы.

Схема допускает управление током в отклоняющей системе с помощью

регулируемого источника 4. Накал катода электронной пушки питается от

стабилизированного источника 1.

В регуляторе мощности пучка путем изменения тока луча (рис. 6.3) в качестве

регулирующего воздействия используют изменение управляющего напряжения U

на

прикатодном электроде. Как и в предыдущей схеме мощность луча вычисляется

блоком умножения 9 и сравнивается в блоке сравнения 8 с уставкой по мощности,

задаваемой блоком 7. Сигнал рассогласования поступает на регулятор тока, состоящий

из усилителя 4 сигнала рассогласования, усилителя – преобразователя 3 с выходным

каскадом 2. В процессе регулирования тока луча ускоряющее напряжение, ток накала,

ток фокусирующей магнитной линзы, ток отклоняющей системы поддерживают

постоянными блоками стабилизации 6,5,1,12. Блок 12 управляет напряжением U

уск

через регулятор 11 и силовой выпрямитель 10.

Рис. 6.3. Функциональная схема регулирования мощности электронного луча с помощью управления силой тока

луча I

: 1, 5, 6, 12 – блоки стабилизации; 2 – выходной каскад; 3 – усилитель-преобразователь; 4 – усилитель сигнала

рассогласования; 7 – блок задания мощности; 8 – блок сравнения; 9 – блок умножения; 10 – силовой выпрямитель; 11 –

регулятор; U

– управляющее напряжение.

6.2 Регуляторы тока фокусирующей линзы

Требования к динамическим характеристикам регуляторов тока фокусирующих

линз обычно жестко не регламентируются, поскольку этот ток во время сварки не

регулируется. Однако необходимость в высоком быстродействии этих регуляторов

резко возрастает при использовании мощного сварочного луча для автоматического

слежения за стыком во время сварки. В этом случае ток I

периодически ступенчато

изменяют на время вывода луча из зоны сварки.

При ЭЛС больших толщин луч фокусируется ниже поверхности изделия. Для

слежения за свариваемым стыком необходима фокусировка на поверхности.

Зондирование свариваемого стыка производится перемещением электронного луча

поперек стыка впереди сварочной ванны. На перемещение луча в зону зондирования и

обратно затрачивается приблизительно по 25% времени t

. За это время ток

фокусировки должен измениться до установившегося значения (примерно 50 мкс).

Современные регуляторы тока фокусирующей линзы выполняют на

полупроводниковых элементах (рис. 6.4). Напряжение, пропорциональное току I

снимается с прецизионного резистора R и поступает на прямой вход операционного

усилителя DA1. На инвертирующий вход усилителя подается задающее напряжение

. Разность этих напряжений усиливаются микросхемой DA1 и транзисторами VT1,

VT2, VT3. В цепи коллектора составного транзистора VT2, VT3 включена

фокусирующая катушка ФК. Высокий коэффициент усиления операционного

усилителя и малый входной ток его прямого входа обеспечивает прецизионное

регулирование тока I

с точностью не ниже 0,01% при изменении питающего

напряжения на _+15% и сопротивления ФК на 30%.

Рис. 6.4. Полупроводниковый стабилизатор тока фокусирующей катушки.

6.3 Регуляторы тока отклоняющих катушек

Динамические характеристики регуляторов тока системы электромагнитного

отклонения электронного луча определяются частотой и формой тока отклонения.

Наиболее часто используются синусоидальная, треугольная и пилообразная формы

токов отклонения. Частота синусоидального отклонения тока луча обычно не

превышает 1 — 2 кГц.

При автоматическом слежении за стыком наименьшую полосу пропускания

требует синусоидальная развертка электронного луча. Если время отклонения луча

равно 1 мс, то необходимая частота развертки равна 1 кГц. С ростом мощности

электронного луча требуемая ширина частотной характеристики системы расширяется

до 10—100 кГц. Для линейного перемещения луча используется пилообразный либо

треугольный закон изменения тока отклоняющих катушек.

Для питания отклоняющих катушек в современных установках используются

мощные полупроводниковые усилители, охваченные глубокой отрицательной

обратной связью по выходному току (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Регулятор тока отклоняющей катушки.

Основное усиление выходного сигнала осуществляется интегральным

операционным усилителем DA1. Выходные каскады на транзисторах VT1—VT3

служат для усиления по мощности. Сигнал обратной связи по току снимается с

резистора R, включенного последовательно с отклоняющей катушкой ОК. Этот сигнал

через резистор R2 поступает на вход DA1, на который через резистор R1 подается

также управляющее напряжение. Разность этих напряжений усиливается схемой DA1.

Таким образом, в регуляторе осуществляется глубокая отрицательная обратная связь

по току отклоняющей катушки, делая его нечувствительным к изменению

сопротивления катушки ОК, колебаниям питающего напряжения.

6.5 Автоматическое управление качеством сварного шва

Конечная цель автоматического регулирования процесса ЭЛС—обеспечение

заданного качества сварного шва. Раннее рассматривались регуляторы, которые

устраняли влияние на качество некоторых возмущений, например, колебания

питающего напряжения, изменение параметров установки вследствие нагрева,

старения. Для того чтобы замкнуть систему по качеству шва, его необходимо, прежде

всего, измерять во время сварки.

В настоящее время можно в некоторых случаях измерить во время сварки один

из наиболее важных параметров, характеризующих качество швов, глубину

проплавления. Наиболее просто это осуществляется при сквозном проплавлении (рис.

6.6).

Рис. 6.6. Регулятор сквозного тока

С тыльной стороны свариваемого изделия 1 (рис. 6.6) устанавливается

изолированный коллектор электронов 2, соединяемый с «землей» через

измерительный резистор R. При полном проплавлении свариваемого образца, в нем

образуется сквозной парогазодинамический канал, и часть электронов пучка попадает

на коллектор 2. Образующееся при этом падение напряжения на резисторе R

усиливается блоком согласования БС, сравнивается с заданным и их разность подается

на регулятор РГ. Сигнал регулятора воздействует на блок регулирования какого-либо

параметра режима сварки, например ускоряющего напряжения, скорости сварки, но

наиболее часто — тока луча.

Другие параметры качества сварного шва (подрезы, высота усиления,

провисание корня шва т.д.) регулируется подбором значений I

скв

, а также настройкой

динамических характеристик регулятора. Особенно эффективно применение

регуляторов сквозного тока при ЭЛС деталей с переменной толщиной. В этом случае

отпадает необходимость в предварительном жестком программировании режима

сварки.

6.6 Системы наведения и автоматического направления электронного луча

по стыку свариваемых кромок

Малые значения диаметра электронного луча и ширины сварного шва требуют

точного совмещения луча со стыком свариваемых кромок. Ручное наведение на стык

при наблюдении за местом сварки через иллюминатор затруднено, а иногда и просто

невозможно. Некоторые электронно-лучевые устройства снабжаются встроенными

оптическими системами, расположенными коаксиально с осью пушки.

Для ручного или автоматического наведения луча на стык свариваемых кромок

применяются все системы, разработанные для дуговых методов сварки. Вместе с тем

созданы системы слежения специально для ЭЛС, обладающие повышенной

точностью. В них для зондирования стыка используется электронный луч.

При помощи электромагнитной системы луч перемещается поперек

свариваемого стыка. На торце электронно-лучевой пушки помещается специальный

коллектор, собирающий вторичные электроны, которые образуются при воздействии

сканирующего электронного луча по поверхности свариваемого изделия. При

пересечении лучом стыка электронный ток заметно падает. Критерий точного

попадания луча на стык—минимальное значение тока в цепи нагрузки коллектора.

Для ручного наведения на стык электронного луча используют системы типа

«Рефлектрон», разработанные фирмой «Сиаки» (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Система ручного наведения электронного луча на стык свариваемых деталей.

Катушка ОКУ электромагнитного отклонения луча питается от регулятора тока

отклонения РТОУ, изменение величины которого во времени показано на рис. 6.7, б.

Напряжение, пропорциональное этому току, с резистора RS подается на вход Y

горизонтального отклонения катодного осциллографа ЭЛО. Напряжение с резистора

утечки R коллектора 2 подается на вход вертикального отклонения Z осциллографа.

При изменении тока I

от

во времени по закону треугольника электронный луч

отклоняется поперек стыка, а луч осциллографа — по горизонтали. При пересечении

лучом стыка деталей на экране осциллографа наблюдается колоколообразный

импульс. В паузах между импульсами тока I

от

электронный луч не отклонен, и

неподвижный луч на экране осциллографа высвечивает яркое пятно. Взаимное

расположение этого пятна и максимума импульса на экране осциллографа

характеризует положение не отклоненного электронного луча относительно стыка

свариваемых кромок. При точном совмещении луча со стыком яркое пятно совпадает с

вершиной импульса вторичных электронов.

7 Применение ЭВМ в системах автоматического управления сварочными

процессами

Современная организация труда выдвигает новые требования к системам

автоматического управления. Появляется необходимость получения информации о

состоянии оборудования в любой момент времени, учета и анализа простоев,

обнаружения и прогнозирования неисправности отдельных элементов оборудования,

своевременной их замены, выявления резервов повышения производительности,

экономии материалов и т.д.

Систематический сбор этих данных, их первичная обработка и статистический

анализ за любой промежуток времени невозможны без использования ЭВМ. Низкая

стоимость и большая универсальность и производительность дают возможность

использовать их в системах управления отдельными установками и аппаратами.

К микро-ЭВМ подключаются датчики аналоговых сигналов через коммутатор и

преобразователь аналог – код. Текущие значения параметров в виде цифр

записываются в память машины, а затем по специальным подпрограммам первичной

обработки вычисляются мощность дуги, средний сварочный ток и его отклонения от

заданного, расход электроэнергии, газа и др. По запросу оператора измеренные и

вычисленные параметры процесса могут быть выведены на дисплей или на печать.

Кроме того, по вычисленным данным формируются задания параметров для

регулирования процесса сварки. К ЭВМ подключаются также датчики скорости сварки

и подачи электрода, частоты и амплитуды колебаний горелки и др., а также концевые

выключатели и датчики расхода воды и газа, кнопка «Пуск». По сигналам от этих

датчиков в памяти ЭВМ формируется «Слово» состояния сварочного оборудования,

после анализа которого ЭВМ может сигнализировать о неисправности того или иного

узла.

Используя математические модели процесса сварки на основе информации о

параметрах режима, размерах и форме шва, можно управлять режимом сварки с целью

обеспечения заданного качества шва, либо обнаружить места, где произошли

недопустимые изменения параметров режима. Логические операции по включению

или отключению различных элементов сварочного оборудования осуществляется в

микро-ЭВМ по программе, введенной в оперативную память машины, Эти операции

легко изменять или корректировать в процессе сварки в зависимости от получения тех

или иных результатов, вычисленных ЭВМ в реальном времени на основании

измерения текущих параметров режима.

Рис. 7.1. Структура микроЭВМ: 1 – микропроцессор (АЛУ); 2 – тактовый генератор; 3 – оперативное

запоминающее устройство (ОЗУ); 4 – постоянное запоминающее устройство (ПЗУ); 5 – блок системного управления; 6 –

адресные усилители; 7 – блок соединения с каналами связи; 8 – блок соединения с внешними устройствами; 9 – блок

установки приоритета прерывания; 10 – шина данных; 11 – шина управления; 12 – адресная шина.

В ЭВМ (рис. 7.1) имеются арифметическо-логическое устройство (АЛУ),

производящее обработку информации, устройство ввода и вывода ее (УВВ),

устройство управления работой всей системы и различные запоминающие устройства.

В ОЗУ хранится только та информация, которая используется в данное время при

решении конкретной задачи. Для длительного хранения больших массивов данных

используется внешнее запоминающее устройство большой емкости, но работающее с

меньшей скоростью. Микропроцессор это большая интегральная микросхема (БИС) с

программируемой (перестраиваемой) логикой. Он выполняет арифметические и

логические операции над данными, программное управление процессом обработки

информации, организует взаимодействие всех устройств, входящих в систему.

Межмодульные связи и обмен информацией осуществляется посредством

коллективных шин (магистралей) адреса, данных и управления. Периферийное

оборудование подсоединяется к шинам не непосредственно, а через программно

управляемые интерфейсные БИС. Тактовый генератор синхронизирует работу всех

блоков.

Если регулируемый процесс непрерывный, то исходная информация

преобразуется в дискретную цифровую с помощью специального устройства –

аналого-цифрового преобразователя (АЦП). При необходимости перевода

полученного в цифровой форме управляющего сигнала в непрерывный используется

цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). АЦП и ЦАП также изготовляются

методом технологии интегральных микросхем.

В качестве примера рассмотрим систему автоматического управления глубиной

проплавления при сварке труб аргонодуговой сварки с наружным оптическим

датчиком температуры сварочной ванны (рис. 7.2) [1].

Эталонная модель объекта получена с помощью методов факторного анализа в

виде системы уравнений

;

++=

∑

xcxccb

0 ++

++=

∑

iiB

xaxaaT

где b

-- модельная оценка критериального параметра объекта регулирования

(ширина обратного валика b без возможности его прямого измерения); T

–

температура наружной поверхности сварочной ванны, измеряемая оптическим

датчиком и оцениваемая по регрессионному уравнению; c

, a

, c

, a

– члены

уравнений, учитывающие действие наблюдаемых (контролируемых) технологических

возмущений (изменений сварочного тока, длины дуги, толщины свариваемой ленты,

скорости сварки, расхода аргона); c

n+1

, a

n+1

– члены уравнений, учитывающих

100

влияние неконтролируемых возмущений в процессе сварки (изменений в

структурном и химическом составе свариваемого материала, дефектов в сборке стыка,

эрозии вольфрама и т.д.).

Рис. 7.2. Функциональная схема системы управления глубиной стыка с математической моделью: ЭМ –

эталонная модель; БВО – блок вычисления ошибки; Р – регулятор; О – объект регулирования; b, b

, b

-- ширина

обратного валика, его заданное значение и модельная оценка; T

– температура наружной поверхности сварочной ванны;

Δb, ε – рассогласование и ошибка параметра b; x – вектор входных возмущений; u – сигнал управления.

Совместное решение уравнений регрессии в блоке ЭМ позволяет по

наблюдаемым переменным и измеряемому в процессе сварки параметру Т

определить

параметр b

∑ ∑

= =

−++=

iiB

xaaT

xccb

1 1

).(

Это уравнение учитывает влияние на параметр b неконтролируемых

возмущений. Отношение c

n+1

определяется экспериментально в режиме

нормального функционирования САУ. Согласно схеме (см. рис. 7.2) вычисленное по

последнему уравнению значения параметра b

сравнивается с заданным нормативами

параметром b

. Рассогласование между параметрами Δb = b

– b

используется в

качестве сигнала обратной связи, формирующего на выходе регулятора сигнал

управления u, компенсирующий влияние на объект технологических возмущений х.

Качество регулирования оценивается в блоке вычисления средней квадратической

ошибки:

(

)

[

]

bbM −=ε

где b – измеренные значения ширины обратного валика на выбранных образцах

сваренных труб.