Лекции - Автоматизация сварочных процессов

Подождите немного. Документ загружается.

Отмеченные обстоятельства существенно облегчают исследования

автоматических систем на устойчивость и качество регулирования. По структурной

схеме составляется система дифференциальных и алгебраических уравнений (см.

раздел 1.10) и с привлечением указанных пакетов определяется изменение всех

параметров системы во времени.

Особенно следует отметить вычислительную систему MATLAB (матричная

лаборатория), которая была создана как язык программирования высокого уровня для

технических вычислений. Она вобрала в себя не только передовой опыт развития

современной компьютерной реализации численных методов за последние три-четыре

десятилетия, но и опыт становления математики. Особенно тщательно здесь

проработаны алгоритмы матричных операций, лежащие в основе средств

моделирования сложных систем. Версия MATLAB 6.0 поставляется вместе с пакетом

расширения Simulink 4.0, предназначенным для моделирования динамических систем,

модели которых составляются из отдельных блоков (компонентов). Этот пакет

является самым ярким представителем программ, созданных на основе системы

MATLAB. В нем реализованы принципы визуально-ориентированного

программирования, что позволяет легко набирать нужные блоки и соединять их с

целью составления модели или устройства. При этом сложнейшие уравнения

состояния, описывающие работу моделей систем или устройств, формируются

автоматически.

Таким образом, в настоящее время вычислительные методы становятся наиболее

мощным средством для анализа и синтеза систем автоматического регулирования.

1.13 Качество процесса управления

Определение устойчивости системы и ее стабилизация являются первой

проблемой, решаемой при создании автоматических систем. Вторая не менее важная

задача – исследование качества процесса управления.

Качество процесса управления определяется поведением автоматической

системы при переходе с одного режима работы на другой. Различают следующие

основные показатели качества процесса управления (рис.1.14): точность (ошибка δ),

время переходного процесса t

, колебательность переходного процесса, зона

нечувствительности ε, максимальное превышение (перерегулирование) Х

макс

управляемой величины от заданного значения.

Рис.1.14. Качественные показатели процесса управления.

Точность управления зависит от величины погрешности, т.е. отклонения

управляемой величины Х

вых

от заданного значения Х

ΔХ

вых

= Х

– Х

вых

или

ΔХ

вых

= ΔХ

уст

+ ΔХ

перех

В статических системах установившееся значение управляемой величины всегда

меньше заданного и всегда имеется статическая ошибка, которая тем меньше, чем

больше коэффициент усиления К системы.

Если управляемая величина принимает за время переходного процесса значение,

большее установившегося, вводится понятие о максимальной величине отклонения

управляемой величины Х

макс

. При большой величине максимального отклонения могут

возникнуть значительные динамические усилия в механической части системы и

чрезмерные перенапряжения в электрических элементах (при сварке большой всплеск

тока может привести к выбросу части электрода из сварочной зоны или прожогу

изделия). Поэтому Х

макс

ограничивают в техническом задании на проектирование.

Быстродействие системы определяется временем переходного процесса t

являющийся одним из показателей качества процесса управления. Теоретически

переходной процесс продолжается бесконечно долго, поэтому на практике принимают

такое время, по истечении которого отклонение управляемой величины не будет

превосходить некоторых пределов ε. Часто считают, что переходной процесс

заканчивается в тот момент времени, начиная с которого отклонение управляемой

величины отличается от нового установившегося значения не более, чем на 5% (если ε

не задано).

По виду переходной характеристики процесс управления может быть

апериодическим, колебательным или монотонным (рис.1.15).

Рис.1.15. Характер затухания переходного процесса.

Процесс является монотонным, если отклонение управляемой величины от

нового установившегося значения с течением времени только уменьшается (кривая 1

на рис. 1.15); он является апериодическим, если имеет место не более одного

перерегулирования относительно начального значений управляемой величины (кривая

2), и колебательным, если управляемая величина в течение переходного процесса

несколько раз отклоняется в обе стороны от конечного установившегося значения

(кривая 3 на рис. 1.15).

В некоторых случаях необходимо иметь суждение о быстроте затухания

переходного процесса. В случае монотонного и апериодического процессов быстрота

затухания характеризуется абсолютным значением наименьшего вещественного корня

характеристического уравнения данной системы.

Для суждения о быстроте затухания колебательного процесса пользуются

логарифмическим декрементом затухания, который равен натуральному логарифму

отношения двух последовательных экстремумов кривой затухания (рис. 1.15, справа).

2 АВТОМАТИЗАЦИЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ

2.1. Структура сварочного контура и возмущающие воздействия

Формирование сварного соединения можно рассматривать как результат

функционирования двухконтурной системы источник питания – источник нагрева –

сварочная ванна (рис.2.1).

Рис. 2.1. Схема сварочного контура, F

ИП

, F

ИН

, F

СВ

– векторы возмущений в источнике, нагрева и сварочной ванне

соответственно.

Отдельные компоненты этой системы объединены обратными связями в

сложную многосвязную систему. Действие этих связей проявляется в том, что

изменения процесса формирования сварного соединения оказывают обратное

воздействие на источники нагрева и питания. При дуговой сварке изменение глубины

проплавления сопровождаются изменением длины дуги, вследствие чего изменяется

напряжение на дуге и режим работы источника питания.

Все многообразие параметров процесса сварки можно разделить на три группы

[1]:

энергетические, характеризующие вклад энергии в процесс образования

сварного соединения (напряжение и сила тока дуги, температура изделия и др.);

кинематические, характеризующие пространственное перемещение или

положение источника нагрева относительно изделия (скорость подачи электродной

проволоки, скорость сварки и др.);

технологические, характеризующие условия формирования и кристаллизации

сварных швов, переноса электродного металла (диаметр электрода, форма и размеры

разделки, величина зазора, вылет и угол наклона электрода, положение шва в

пространстве, способ защиты сварочной ванны).

Процесс сварки подвергается возмущениям, нарушающим его нормальное

протекание и приводящие к отклонениям показателей качества сварного соединения

от требуемых значений.

Источниками энергетических и кинематических возмущений являются

промышленная сеть, колебания длины дуги и отклонения электрода от оси стыка,

колебания скорости подачи электрода и скорости сварки и др.

Причины технологических возмущений -- несовершенство технологии

подготовки кромок свариваемой заготовки и их сборки, изменения химсостава

свариваемого материала, состава защитного газа.

В условиях действия возмущений качественные сварные соединения могут быть

получены только на основе использования систем автоматического управления (САУ),

которые выполняют следующие функции:

программное управление перемещениями рабочих органов сварочного

оборудования;

управление последовательностью операций – системы программного управления

сварочными циклами;

стабилизация режима сварки;

автоматизация направления электрода по стыку сварного соединения с помощью

следящих систем;

компенсация отдельных технологических возмущений;

управление процессом сварки с использованием математических моделей,

описывающих процесс образования сварного соединения с учетом

трудноконтролируемых технологических возмущений (изменение химсостава

основного и присадочного материалов, защитной среды и др.).

2.2.Программное управление перемещениями рабочих сварочного

оборудования

В зависимости от характера управления СПУ могут быть разделены на

позиционные и контурные. Первые обеспечивают последовательное

позиционирование рабочего органа из одной точки пространства в другую

(применяются для сварки электрозаклепками, дуговой приварки шпилек и бобышек,

многопроходной сварки для раскладки валиков др.).

Контурные СПУ применяются для обеспечения движения с заданной контурной

скоростью в любой точке траектории (сварка криволинейных и пространственных

швов, наплавка сложных поверхностей, термическая резка и др.).

По способу задания и отработки программы, а также по виду применяемых

технических средств СПУ делятся на кинематические и числовые.

Характерной особенностью кинематических систем СПУ является задание

величины и траектории перемещений в виде сменяемых геометрических аналогов

(моделей).

Системы числового программного управления (ЧПУ). Характерной

особенностью этих систем является представление информации о величинах и

траекториях перемещений, а также о параметрах режимов в алфавитно-цифровом

виде, а переработка этой информации осуществляется с применением методов и

средств вычислительной техники. Системы ЧПУ—наиболее гибкое средство

автоматизации манипуляционных систем сварочного оборудования.

2.3. Системы программного управления сварочными циклами

Наиболее простые программы управления сварочными циклами выполняются

при механизированной сварке под флюсом и в защитных газах. Программа работы

этих устройств заложена жестко уже на этапах разработки и поэтому, изменить ее

нельзя.

Широкое распространение для описания программы работы такого

оборудования получили циклограммы. ( Привести примеры циклограмм управления

п/автоматом и при сварке неплавящимся электродом). Программу работы

оборудования можно представить также в виде блок—схемы алгоритмов.

2.4. Саморегулирование дуги с плавящимся электродом

Особенностью электрических дуг при сварке плавящимся электродом является

присущее им свойство самовыравнивания энергетического состояния в условиях

возмущающих воздействий. Это явление называется саморегулированием дуги

(АРДС). Его использование позволило создать автоматы для дуговой сварки с

постоянной скоростью подачи электродной проволоки без применения специальных

регуляторов.

На рис.2.2 приведены ВАХ источника питания 1 и статическая характеристика

дуги 2, равенство токов и напряжений имеет место в двух точках—А

и А

Рис.2.2. Внешняя характеристика источника питания (1) и вольтамперная характеристика дуги (2).

Проанализируем поведение системы при малых отклонениях от состояния

равновесия. Введем обозначения:

= (∂U

/∂I

)

Id0

–динамическое сопротивление источника питания;

= (∂U

/∂I

)

Id0

—динамическое сопротивление дуги,

E = ∂U

/∂L

–градиент напряженности электрического поля в столбе дуги.

Увеличение длины дуги L

на малую величину l

сопровождается нарушением

режима сварки и появлением отклонений сварочного тока i

и напряжений источника

питания:

= R

и дуги

= R

+ E l

В переходном процессе разность напряжений U

- U

равна падению напряжения

на индуктивности L источника питания и сварочной цепи:

– R

) i

– E l

= L (di

/dt)

или

L(di

/dt) + (R

– R

) i

+ El

= 0 .

Для устойчивости системы, описываемой данным дифференциальным

уравнением, необходимо и достаточно, чтобы коэффициенты характеристического

уравнения были положительными. Индуктивность L и напряженность Е всегда

положительны, отсюда:

- R

) > 0

или

> R

В точке 1 R

< R

и поэтому К

< 0 (коэффициент устойчивости) и система

неустойчива. В точке 2 динамическое сопротивление дуги больше динамического

сопротивления источника питания и система источник – дуга устойчива. Таким

образом, для устойчивого горения дуги вольтамперная характеристика источника

питания должна быть более крутопадающей, чем вольтамперная характеристика дуги.

Данное условие является необходимым, но не достаточным условием

устойчивости сварочной дуги.

В процессе сварки заданная скорость подачи электрода V

сравнивается со

скоростью его плавления V

. При достижении равенства V

= V

в сварочном контуре

устанавливается определенная сила тока I

, которая с определенной точностью

поддерживается системой саморегулирования.

Точность работы такой системы зависит от коэффициентов саморегулирования

по току к

СТ

и по напряжению к

СН

. Эти коэффициенты характеризуются отношением

приращения скорости подачи ΔV

к приращению соответственно по току дуги ΔI

по напряжению на дуге ΔU

СН

СТ

∆

Статические характеристики системы АРДС (автоматическое регулирование

дуги самовыравниванием) можно рассмотреть, если в координатах напряжение – ток

совместить вольтамперную характеристику источника питания 1 со статической

характеристикой устойчивого горения дуги 2 (рис. 2.3).

Уравнение статической характеристики устойчивого горения дуги как

регулируемого объекта может быть получено совместным решением уравнений

= V

= const;

= k

СТ

I – k

СН

Решив систему относительно I

, получим

СТ

СН

СТ

I +=

Рис. 2.3. Совмещенные характеристики вольтамперной питающей системы 1 и устойчивого горения дуги 2 в

системе АРДС.

На рис. 2.3 I

= V

/к

СТ

– приведенный задающий параметр. Параметр

СТ

СН

I ∆⋅=∆

называют статической ошибкой в системе АРДС. Эта ошибка получается из-за

влияния на процесс плавления электрода напряжения дуги. Влияние возмущений по

напряжению сети и скорости подачи электрода на статические ошибки по току и

напряжению дуги в системе АРДС показано на рис. 2.3,б. С уменьшением напряжения

в сети на ΔU

в системе АРДС по окончании переходного процесса установятся

статические ошибки по напряжению дуги ΔU

и по току ΔI

(рабочая точка В).

Наиболее полное описание процесса саморегулирования можно получить из

структурной схемы (рис.2.4).

Структурную схему начинают рассматривать с узла 0, т.е. с точки приложения

задающей величины V

и затем перемещаются в направлении распространения

сигнала. К точке 0 приложены возможные возмущения

(колебания скорости подачи

вследствие нестабильной работы привода подачи электрода) и

(изменение скорости

плавления электрода из-за изменений технологических условий), а также

(изменение скорости электрода вследствие неровности свариваемой поверхности), в

результате воздействия которых происходит изменение длины дуги по формуле:

– R

) i

– E l

= L (di

/dt).

Поэтому преобразование изменения скорости перемещения конца электрода в

изменение длины дуги отображено в схеме интегрирующим звеном Ī. Всякое

изменение длины дуги сопровождается изменением ее напряжения. Связь между

изменением длины дуги и ее напряжением – пропорциональна, что отражено на схеме

безинерционным звеном ІІ (

-- изменение длины дуги, вызванные неровностью

профиля изделия, капельным переносом металла электрода и др.). Изменение тока,

следующее за изменением напряжения, зависит от сопротивления источника питания и

будет происходить с запаздыванием, зависящим от постоянной времени источника

питания τ

. Поэтому источник питания на схеме изображен апериодическим звеном

ІІІ.

Рис. 2.4. Структурная схема процесса регулирования.

Знак «-« означает, что при падающей внешней характеристике источника

питания увеличению напряжения соответствует уменьшение тока и наоборот.

Отклонения тока и напряжения дуги сопровождаются изменениями скоростей

плавления электрода

= k

СТ

I – k

СН

Изменения этих скоростей плавления происходят инерционно с постоянной

времени τ

(см. звенья ІV, V). Выходные сигналы контуров саморегулирования по току

и напряжению, суммируясь в точке 11, поступают на вход системы – узел 0, в котором

происходит сравнение скорости плавления электрода со скоростью его подачи.

Изменения тока сопровождается изменением глубины проплавления, а

изменения напряжения приводит к изменению ширины шва. Эти процессы отражены