Лекции - Автоматизация сварочных процессов

Подождите немного. Документ загружается.

апериодическими звеньями VI, VII, передаточные функции которых содержат

коэффициенты пропорциональности К

= ΔH/Δi

и К

= ΔB/ΔU

и постоянные

времени плавления основного металла по глубине и ширине τ

и τ

. Отклонение

глубины провара приводит к изменению скрытой составляющей длины дуги l

ДГ

, что

отражено в схеме безинерционным звеном VII.

Таким образом, структурная схема описывает динамику саморегулирования, в

процессе которого непрерывно сравнивается заданная скорость подачи электрода со

скоростью его плавления, определяемой текущими значениями тока и напряжения

дуги. Результат саморегулирования дуги – сохранение равенства V

= V

в условиях

отклонений режима сварки под действием возмущений.

2.5 Системы автоматического регулирования дуговой сварки

2.5.1 Системы автоматического регулирования энергетических параметров

дуги.

Уже в первых автоматах для дуговой сварки для стабилизации длины дуги была

реализована система автоматического регулирования с обратной связью по

напряжению дуги (АРНД). При сварке плавящимся электродом сигнал обратной связи

по напряжению дуги используется для регулирования скорости подачи V

. На рис. 2.5

показана функциональная схема и статические характеристики системы АРНД с

тиристорным приводом.

Рис. 2.5. Функциональная схема (а) и статические характеристики (б) системы АРНД с тиристорным приводом.

На входе операционного усилителя DD1 сравнивается фактическое u

заданное U

напряжения дуги. Выходной сигнал DD1 управляет тиристорным

приводом ТП. Если выполняется условие R2 = R3 = R, то управляющее напряжение:

= k

УС

– U

где

RPR

ус

−=

-- коэффициент усиления операционного усилителя.

Изменением RP осуществляется необходимого значения коэффициента усиления

регулятора.

Уравнение статической характеристики регулятора имеет вид

= k

РЕГ

– U

где k

РЕГ

= ΔV

/ΔU

– коэффициент передачи регулятора.

Скорость плавления электрода:

= k

СТ

– k

СН

Решив совместно два последних уравнения при условии, что V

= V

, получим

СНРЕГ

РЕГ

СНРЕГ

СТ

КК

или

СНРЕГ

СТ

ЗД

КК

где

СНРЕГ

РЕГ

КК

-- заданное напряжение дуги; К

СТ

и К

СН

– коэффициенты

саморегулирования по току и напряжению.

Последняя формула представляет собой уравнение статической характеристики

устойчивого горения дуги в системе АРДС (рис. 2.5). Совместное расположение

вольтамперной характеристики (ВАХ) питающей системы и статической

характеристики системы АРНД показано на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Статическая характеристика системы АРНД (а) и ВАХ источника питания (б).

Статическая характеристика регулятора представляет собой прямую, с углом

наклона

СНРЕГ

СТ

КК

arctg

⋅=β (рис. 2.6).

На рис. 2.7 показаны статические ошибки систем саморегулирования и АРНД.

Колебания напряжения сети в случае постоянной скорости подачи отражаются в

первую очередь на напряжении дуги, а при использовании системы АРНД – на токе

дуги.

Систему АРНД с воздействием на скорость подачи целесообразно применять в

тех случаях, когда предъявляются повышенные требования к точности стабилизации

напряжения (сварка и наплавка под керамическими флюсами, прецизионная наплавка

легированного слоя и т.д.).

Для улучшения регулирующих свойств АРНД применят системы с двумя

регуляторами: АРНД с воздействием на скорость подачи и регулятором тока,

воздействующим на источник питания.

Рис. 2.7. Статические ошибки по току ΔI

и по напряжению ΔU

при использовании систем саморегулирования

(1) и АРНД (2) в условиях колебания сети.

Упрощенная структурная схема системы АРНД приведена на рис. 2.8.

Собственно регулятор образован звеньями I – III с передаточными функциями:

ПМ

= V

/Ω

ДВ

– передаточное число механизма подачи; k

ДВ

= ΔΩ

ДВ

/ΔU

ус

–

передаточный коэффициент двигателя по скорости; k

УС

= ΔU

УС

/ΔU – коэффициент

усиления усилителя; τ

ДВ

– постоянная времени электропривода.

Рис. 2.8. Структурная схема системы АРНД с воздействием на скорость подачи.

Контур саморегулирования, образованный звеньями IV – VIII, аналогичен

рассмотренному ранее.

2.5.2 Системы автоматического регулирования

длины дуги при сварке неплавящимся электродом

При сварке неплавящимся электродом отсутствует самовыравнивание

энергетического состояния дуги. Следствием этого является зависимость напряжения

и тока дуги от ее длины. Устранение ошибок ∆U

и ∆I

достигается с помощью САР

длины дуги. Основной источник информации о длине дуги — ее напряжение.

Использование обратной связи по напряжению дуги позволяет построить замкнутую

САР, которую называют системой АРНД с неплавящимся электродом.

В контуре с неплавящимся электродом напряжение дуги связано определенной

функциональной зависимостью с длиной дуги:

СВ

ДД

dLc

bLaU

++=

где U

– напряжение дуги, В; L

– длина дуги, мм; I

СВ

– сварочный ток, А; a, b, c,

d – коэффициенты, учитывающие геометрические и физические особенности дуги и

имеющие соответственно размерность В; В/мм; В*А; В*А/мм.

АРНД представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования

с воздействием на пространственное положение электрода относительно поверхности

изделия.

Функциональная схема системы АРНД (рис. 2.9) состоит из сварочного контура

источник питания – дуга – сварочная ванна и внешнего регулятора. В регулятор

входит суммирующий элемент 1, в котором текущее напряжение дуги U

сравнивается

с эталонным напряжением U

. Разность ΔU

= U

– U

усиливается в блоках 2 и 3 по

напряжению и мощности. Усиленный по мощности сигнал питает исполнительный

двигатель 4, который через редуктор 5 обеспечивает вертикальное перемещение

сварочной горелки 6 до устранения рассогласования между U

и U

, т.е. до ΔU

= 0.

Для лучшего демпфирования системы в ней используется скоростная обратная связь,

реализованная на тахогенераторе 7.

Структурная схема (рис. 2.10) системы АРНД представляет собой

математическую модель системы, заданную передаточными функциями. Она состоит

из модели сварочного контура с передаточными функциями дуги W

, источника

питания W

и сварочной ванны W

, математической модели регулятора с

передаточными функциями усилителей сигнала рассогласования I и II,

исполнительного двигателя III, редуктора IV, корректирующей обратной связи V.

Рис. 2.9. Функциональная АРНД при дуговой сварке неплавящимся электродом.

Рис. 2.10. Структурная схема системы АРНД.

Выходные координаты системы х

, х

, …, х

– это геометрические параметры

сварочной ванны (шва). Возмущение по длине дуги

∆ приводится к возмущению по

напряжению дуги

∆ через градиент столба дуги К

(В/мм). Сигналом обратной

связи является рассогласование ΔU

= U

– U

, регулирующим воздействием –

перемещение Δl

сварочной горелки, которое является функцией сигнала

рассогласования ΔU

2.5.3 Системы автоматического регулирования вылета (АРВ) электрода

В случае плавящегося электрода системы с постоянной скоростью подачи, а

также системы АРНД не отрабатывают возмущений по вылету электрода. В то же

время при автоматической сварке вылет электрода – один из важнейших параметров

режима, от его величины зависят: энергетические характеристики, стабильность и

характер переноса электродного металла.

Основное влияние вылета на энергетические характеристики сварочного

контура состоит в том, что изменения вылета сопровождается перераспределением

мощностей между анодом (обратная полярность) и вылетом так, что сумма их остается

примерно постоянной.

Мощность, необходимая для плавления электрода:

= Р

+ Р

= const;

= I

; Р

= U

Тогда, при увеличении вылета ток дуги уменьшится.

Простейшим решением по стабилизации вылета является механическая система

с плавающей сварочной головкой, опирающейся посредством копирных роликов или

щупа непосредственно на свариваемое изделие. Чтобы повысить чувствительность

копирующих устройств, их снабжают измерительными преобразователями (например,

потенциометрическими), преобразующими перемещения элемента в электрический

сигнал.

При многопроходной сварке в случаях, когда высоту каждого укладываемого в

разделку валика можно с определенной точностью установить заранее, применяют

систему программного регулирования вылета. Она содержит электромеханическое

программное устройство, обеспечивающее подъем сварочной головки на заранее

установленную величину по мере заполнения разделки.

Общая особенность рассмотренных систем – отсутствие обратных связей по

фактическому значению вылета электрода и электрическим параметрам дуги. Поэтому

эти системы нечувствительны к изменениям вылета вследствие колебаний напряжения

дуги, скорости плавления электрода и т.д.

Основная трудность при разработке замкнутых систем автоматического

регулирования вылета электрода – получение информации о величине вылета.

Система АРВ с фотоэлектрическим датчиком (рис.2.11). В поле зрения

фотодатчика располагается переходная область между концом плавящегося электрода

и столбом дуги. Световой поток от этой области преобразуется датчиком в

электрический сигнал U

, который сравнивается в сравнивающем устройстве СУ с

эталонным сигналом U

. При изменении расстояния между токоподводом и изделием

будет изменяться (вследствие саморегулирования длины дуги) длина не

расплавившейся части электрода, а световой поток будет уменьшаться (при

увеличении вылета) либо возрастать (при уменьшении вылета).

Рис. 2.11. Система АРВ электрод с фотоэлектрическим датчиком.

Сигнал рассогласования, выделенный в СУ, после усилителя УП используется

для управления двигателем М. Последний осуществляет подъем или опускание

токоподводящего мундштука вместе с закрепленным на нем датчиком до тех пор, пока

в поле зрения датчика вновь не окажется переходная зона «электрод—дуга». Точность

такой системы -- ± 0,25 мм.

2.5.4 Автоматизация управления положением сварочной горелки при

сварке и наплавке.

По способу преобразования информации в сигнал, используемый для

управления, следящие системы можно классифицировать по типам применяемых в

них датчиков.

Различают следящие системы с датчиками: электромеханическими,

фотоэлектрическими, телевизионными, электроразрядными, электромагнитными,

фотопирометрическими, ультразвуковыми, пневматическими, радиационными и др.

По числу следящих движений системы можно разделить на однокоординатные и

многокоординатные.

По типу регулятора, примененного в системе автоматики, следующие системы

разделяются на две группы: системы с регуляторами прямого действия и системы с

регуляторами непрямого действия.

Следящие системы (устройства) с регуляторами прямого действия. Они

наиболее простые, измерение неотделимо от управления. Сварочная головка или

горелка имеет одну или несколько свободных (не приводных) подвижностей и связана

непосредственно со щупом, выполненным в виде ролика или неподвижного копирного

пальца. Щуп постоянно прижат к поверхностям разделки кромок стыка или другим

поверхностям свариваемых элементов под действием пружин или сил тяжести. При

одном щупе-ролике возможно направление горелки по разделке стыка без прихваток.

Следящие системы с регуляторами непрямого действия. Этим системам

присуще разнообразие способов преобразования информации, полученной от датчика,

в сигнал, используемый для управления положением сварочной горелки. Среди таких

систем большую группу образуют следящие системы с электромеханическими

датчиками. Основная особенность электромеханических датчиков - наличие в них

копирующего элемента-щупа, который под действием пружин или сил тяжести

находится в контакте с копируемыми поверхностями или кромками изделия. Точка

копирования может находиться перед точкой сварки или сбоку от нее.

Следящие системы с фотоэлектрическими датчиками. Датчики этих систем

можно отнести к группе так называемых видеосенсоров. Сигнал управления возникает

при смещении датчика относительно контрастной линии, границ отражающих или

излучающих поверхностей и экранирующих элементов.

Для отсчета при измерении положения стыка используются:

1) линия этого стыка, контрастная относительно поверхности свариваемого

металла, либо специальная, контрастная копирная линия (полоса), нанесенная на

поверхности изделия при постоянном расстоянии от линии стыка;

2)граница «черное - белое» на копирной ленте, наклеиваемой на изделие;

3) линия, разделяющая поверхности изделия с разной отражательной

способностью, например, при сварке, встык двух листов, поверхность одного из

которых или зачищена до металлического блеска или окрашена;

4) использование для отсчета зазора или кромки изделия, подсвечиваемых со

стороны, обратной расположению датчика.

В последнее время разрабатываются следящие системы, в которых измеряется

положение разогретых кромок или зоны прогрева с обратной стороны соединения,

излучающих поток в световом диапазоне. Разрабатываются фотоэлектрические

системы, измеряющие фактическое положение электрода, контрастного относительно

окружающего фона.

Следящие системы с телевизионными датчиками. Они относятся к наиболее

современным и перспективным, создаются на базе прикладных (промышленных)

телевизионных установок (ПТУ) замкнутого типа.

Для реализации телевизионного слежения так же, как и дистанционного

наблюдения, необходимо, чтобы наблюдаемая часть объекта содержала

светоконтрастные элементы, подобные тем, которые применяются для

фотоэлектрических систем. При использовании телевизионного слежения

значительные трудности создаются световыми помехами, в частности, в виде

светоконтрастных царапин, рисок, бликов и п.т., которые в реальных условиях могут

появляться в поле зрения передающей камеры и быть причиной ложных сигналов, а

также нестабильностью во времени освещенности наблюдаемых объектов, прежде

всего, переменным световым излучением дуги (при сварке в защитных газах и без

защиты дуги.)

Следящие системы с электромагнитными датчиками. Они наиболее

распространенные. Электромагнитные датчики могут быть использованы для

определения положения: стыка без разделки кромок, кромки верхнего листа

нахлесточного соединения, скосов кромок; для измерения расстояния до поверхности

свариваемых элементов, ширины зазора, величины превышения кромок, а также для

определения положения начала и конца свариваемого изделия или прихваток.