Лекции - Автоматизация сварочных процессов

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 2.12. Принцип действия электромагнитного датчика.

Простейший электромагнитный датчик (рис.2.12) состоит из Ш-образной

магнитной системы и трех обмоток. Обмотка 2, расположенная на среднем стержне,

питается от источника тока повышенной частоты. Переменное магнитное поле,

создаваемое обмоткой, наводит в свариваемом изделии вихревые токи. Непроводящий

зазор между деталями разделяет вихревые токи на два контура. Результирующее

магнитное поле датчика создается не только током, протекающем в обмотке 2, но и

вихревыми токами.

При симметричном относительно датчика расположении зазора контуры

вихревых токов равны, симметричны и I

= I

.Соответственно равны магнитные

потоки Ф

и Ф

и наводимые ими ЭДС в измерительных обмотках 1 и 2. При

встречном включении ЭДС обмоток 1 и 2 компенсируются, и сигнал на выходе

датчика равен нулю.

При несимметричном расположении датчика относительно стыка контуры

вихревых токов оказываются различными, токи I

≠ I

. Это приводит к нарушению

равенства магнитных потоков Ф

и Ф

и возникновению на выходе датчика ЭДС Е,

сигнализирующей об отклонении средней плоскости датчика от плоскости стыка.

Направление отклонения датчика от стыка видно по сдвигу фазы ЭДС относительно

тока, протекающего в обмотке. При изменении направления отклонения на

противоположное, фазовый сдвиг ЭДС изменяется на 180

2.5.5 Системы магнитного управления формированием и кристаллизацией

сварных швов

Одно из направлений совершенствования процессов сварки плавлением —

применение внешних магнитных полей для воздействия на источник нагрева (дугу)

или гидродинамику сварочной ванны. В обоих случаях создаются возможности для

управления формированием и кристаллизацией сварных швов и определяемыми ими

показателями качества сварных соединений.

Колебания дуги поперек или вдоль шва внешним поперечным относительно

столба дуги реверсируемым магнитным полем (рис. 2.13) применяются для улучшения

прогрева свариваемых кромок, регулирования глубины проплавления, обеспечения

хорошего формирования швов и перекрытия валиков при наплавке.

Особенность сварки с электромагнитным перемешиванием (ЭМП) — создание

управляющих воздействий непосредственно в сварочной ванне, т.е. в той части

объекта управления, в которой происходят процессы образования сварного

соединения. Для осуществления ЭМП используют аксиальное (продольное

относительно электрода) (рис. 2.14) магнитное поле. Взаимодействие его с

Рис. 2.13. Отклонение дуги вдоль шва поперечным магнитным полем.

радиальной составляющей сварочного тока ванны приводит к появлению в

расплаве массовых пондемоторных сил F

F = j × B,

Где j—вектор плотности тока в сварочной ванне, взаимодействующего с

магнитным полем, определяемым вектором индукции В.

Рис.2.14. Схема взаимодействия внешнего аксиального магнитного поля со сварочным током при ЭМП

(штриховой линией показаны траектории движения частиц расплава под действием электромагнитных сил.

Величина и направление действия силы F , необходимые для обеспечения

характеристик движения расплава при ЭМП, регулируются соответствующим

изменением индукции В и частоты реверсирования управляющего магнитного поля

(УМП). Объектами управления при ЭМП является тепломассоперенос в сварочной

ванне и кинетика ее кристаллизации.

Установлено, что оптимальными являются условия перемещения, при которых

происходят периодические, с возможно большей частотой колебания градиента

температур перед фронтом кристаллизации на всей его протяженности. Для этого

необходимо, чтобы за время между двумя последовательными реверсированиями

движения потока расплава его тепловой фронт перемещался на всю длину

кристаллизующейся части ванны. Оптимальным условиям ЭМП соответствует

измельчение и повышение однородности структуры, предупреждение образования

пор, получение швов, минимально склонных к образованию кристаллизационных

трещин, стабилизация механических свойств швов.

Сварочная ванна, характеризующаяся малым объемом расплава и высокой

плотностью в нем электрического тока, является идеальным объектом для применения

ЭМП, поскольку необходимые для достижения заданных характеристик перемещения

силы F могут быть получены при относительно малых индукции В УМП.

Электромагниты конструктивно совмещают со сварочными горелками или

мундштуками. Заданную программу изменения напряжения питания обмотки

электромагнита обеспечивают применением специальных схем управления.

В современных аппаратах управления ЭМП питание обмотки электромагнита

реверсируется с требуемой частотой группами однополярных импульсов, выделенных

однополупериодным выпрямителем из синусоидального напряжения промышленной

частоты.

sin ωt при 0 < t < T/2

=0 при Т/2 < t < T.

Чтобы расширить технологические возможности сварки с ЭМП, в аппаратах

предусматривается регулирование скважности импульсов тока электромагнита I

эм

временных задержек t

между последовательными группами униполярных импульсов.

2.6 Блоки управления полуавтоматами и автоматами

2.6.1 Управление скоростью вращения электроприводов

В механизмах подачи электродной проволоки в сварочных полуавтоматах и

автоматах и механизмах перемещений автоматов преимущественно применяются

электродвигатели постоянного тока.

Напряжение U

, приложенное к якорю двигателя уравновешивается падением

напряжения на обмотке якоря и ЭДС, наводимой в этой обмотке при вращении якоря

= I

+ E , Е = С

Фn

откуда

n = U

/(C

Ф) - I

/(С

Ф),

где U

– напряжение на якоре двигателя, В; I

– ток якоря, А; R

–

сопротивление обмотки якоря, Ом; E – ЭДС в обмотке якоря, В; C

– постоянная

двигателя; Φ -- величина магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения; n –

число оборотов двигателя.

Выражение показывает, что управлять скоростью двигателя можно тремя

способами: изменением подводимого напряжения U

, потока Ф , сопротивлением цепи

якоря R

. Включение дополнительного сопротивления в цепь якоря приводит к

получению падающей механической характеристики привода (с ростом нагрузки на

валу скорость вращения двигателя падает), что неприемлемо в сварочных установках.

Управление скоростью изменением величины магнитного потока также в сварочных

установках практически не применяется т. к. в этом случае скорость регулируется от

номинальной и выше.

В автоматах и п/автоматах электроприводы по своему назначению делятся на

два типа (рис. 2.15 и 2.16):

для управления скоростями подачи электродной проволоки и перемещения

сварочной каретки и их стабилизации;

для управления напряжением дуги и его стабилизацией — зависимая подача.

Рис. 2.15. Функциональная схема управления приводом независимой подачи электродной проволоки, УС –

усилитель разности сигналов задания U

и обратной связи U

ОС

; РН – регулятор напряжения для регулирования

напряжения на якоре двигателя U

; электродвигатель подачи электродной проволоки; n – число оборотов двигателя; Р –

редуктор; V

– скорость подачи электродной проволоки.

Рис. 2.16. Функциональная схема управления приводом зависимой подачи для регулирования и стабилизации

напряжения на дуге. Здесь ИП – источник питания; ДН – датчик напряжения на дуге.

Из приведенных функциональных схем видно, что необходимый закон

регулирования напряжения на якоре двигателя обеспечивается сигналом обратной

связи ОС, снимаемой с входных зажимов якоря (в схеме с независимой подачей) и с

дугового промежутка (в схеме с зависимой подачей). Этот сигнал сравнивается с

сигналом задания в устройстве сравнения, а полученная разность через усилитель УС

управляет регулятором напряжения РН на якоре двигателя Д.

Устройство сравнения в практических схемах представляет собой схему

вычитания двух напряжений и часто реализуется на 3 резисторах.

После сравнения сигналов задания обратной связи требуется усиление разницы

сигналов с большим коэффициентом усиления. На практике для этой цели

применяются усилители постоянного тока. В более ранних разработках они

реализовывались на транзисторах, а в последние годы используются интегральные

усилители постоянного тока. Эти усилители, называемые операционными,

практически не имеют недостатков, присущих усилителям на дискретных

компонентах. Обладая высоким коэффициентом усиления, большим входным

сопротивлением и имея два входа (прямой и инвертирующий), они объединяют в себе

функции сравнения и усиления сигналов, а также функции коррекции управляющих

воздействий. Последнее позволяет простыми средствами формировать требуемые

законы регулирования, обеспечивая тем самым необходимые статические и

динамические свойства электроприводов.

В качестве регуляторов напряжения используются система генератор –

двигатель, тиристорные преобразователи, а также широтно-импульсные

преобразователи на транзисторах.

2.6.2 Узлы управления сварочными циклами

Узлы управления сварочными циклами предназначены для автоматического

управления последовательностью и продолжительностью включения исполнительных

органов автоматов и полуавтоматов. Они представляют собой логическо-временные

устройства, в которых связи между элементами определяют логику работы, а сами

элементы обеспечивают переключение этих устройств из одного состояния в другое.

Узлы управления сварочными циклами строятся на базе логических схем,

запоминающих устройств, схем временных задержек, усилителей мощности и

согласующих элементов.

Логическими называются схемы, состояние которых зависит от определенного

состояния сигналов на их входах. Под состоянием сигнала

понимается один из двух возможных его уровней — низкий или высокий.

Сигнал низкого уровня обозначается нулем (0), а сигнал высокого уровня – единицей

(1). Наиболее часто употребляемые логические схемы И, ИЛИ, НЕ.

Схема И – сема логического умножения (совпадения), имеет один выход и не

менее двух входов. Сигнал на выходе равен 1, только тогда, когда равны 1 сигналы на

всех его входах.

Схема ИЛИ – схема логического сложения, имеет один выход и не менее двух

входов. Сигнал на выходе схемы равен 1, когда равен 1 сигнал хотя бы на одном, на

нескольких или на всех ее входах.

Схема НЕ – схема логического отрицания (инверсии), имеет один вход и один

выход. Сигнал на выходе равен 0, когда сигнал на входе равен 1, и наоборот.

В настоящее время логические схемы широко выпускаются в интегральном

исполнении и представляют собой комбинации И – НЕ и ИЛИ – НЕ. Изображение

логических схем показано на рис. 2.17.

Рис. 2.17. Изображение логических схем на чертежах.

Запоминающие устройства используются для блокировки кнопок, запускающих

сварочный цикл, с целью доработки его до конца независимо от момента поступления

команды на окончание сварки. Они реализуются на триггерных схемах. Триггерами

называют спусковые или регенеративные устройства с двумя возможными

устойчивыми состояниями, в которые они могут устанавливаться управляющими

входными сигналами. Функционально триггер можно представить в виде элемента

памяти со схемой управления (рис. 2.18). Элемент памяти хранит информацию о

результате предыдущего воздействия на триггер. Схема управления реализует правила

реагирования триггера на различные входные сигналы и их комбинации.

По реакции триггера на входные управляющие воздействия различают

следующие виды входов:

Рис. 2.18. Функциональная схема триггера.

S – вход для установки (Set – установка) триггера в состояние «1»;

R – вход для сброса (Reset – сброс, возврат) триггера в состояние «0»;

D – вход для установки триггера в состояние «1» при D = 1 или «0» при D = 0 с

задержкой (Delay – задержка) переключения выходов Q, Q по отношению ко входу D;

Т – вход переключения (Toggle – релаксатор) триггера в противоположное

состояние, поэтому вход Т называют счетным;

J, K – входы для установки (Jerk -- включение) и сброса (Kill -- отключение)

триггера в состояние соответственно «1» и «0» аналогично входам S и R; отличие

состоит в том, одновременное входов S и R обусловливает неопределенность перехода

триггера в одно из двух возможных состояний, а одновременное возбуждение входов J

и K вызывает однозначно смену состояния триггера аналогично входу Т;

С – вход синхронизации (Clock – часы) для точного задания моментов

переключения состояния триггера;

V – вход для разрешения или запрета реагирования триггера на

соответствующие управляющие входы.

Обычно триггеры содержат лишь часть из перечисленных входов, причем

некоторые из них являются кратными. По совокупности управляющих входов

различают:

RS – триггеры с раздельными входами установки в состояние «0» и «1»; RS –

триггеры бывают асинхронными и синхронными, если кроме S и R имеется вход С;

D – триггеры с записью информации по одному входу D в моменты времени,

определяемые синхроимпульсами С;

Т – триггеры со счетным входом;

JK – триггеры – универсальные триггеры, в которых входы J и K в отдельности

реализуют раздельное управление, а совместно – счетный режим.

Схемы задержки времени обеспечивают задержку выходного сигнала

относительно входного на заданный промежуток времени. Основным элементом

схемы задержки времени является RC – цепь, конденсатор которой подключен ко

входу порогового устройства. Схемы строятся как с зарядом, так и с разрядом

конденсатора. В первом случае время t заряда конденсатора С через резистор R до

напряжения срабатывания U

ср

порогового устройства определяется по формуле

t = RC ln(U

ср

Во втором случае время разряда конденсатора определится как

t = RC ln(U

/(U

– U

ср

)),

где U

– напряжение питания заряжаемого конденсатора.

Принципиальная схема задержки времени с компаратором на операционном

усилителе приведена на рис. 2.19.

Запуск схемы осуществляется отключением конденсатора С от цепи заряда

ключом S. Конденсатор разряжается через резистор R, и в момент, когда напряжение

на нем сравняется с опорным, равным U

/(R

+ R

), выходное напряжение схемы

изменит знак.

Рис. 2.19. Принципиальная схема задержки времени с компаратором на операционном усилителе.

Усилители мощности и согласующие элементы предназначены для

преобразования слабых сигналов, поступающих с логических схем и схем временных

задержек, в сигналы, достаточные по мощности для включения исполнительных

органов полуавтомата. Усилители мощности реализуются на транзисторах,

тиристорах, импульсных трансформаторах и реле.

Блок управления сварочным полуавтоматом БУ - 01. Обеспечивает

управление циклом работы полуавтомата и стабилизацию установленной скорости

подачи электродной проволоки. Функциональная схема представлена на рис. При

нажатии кнопки на горелке сигнал с ее выхода включает через схему ИЛИ 1 газовый

клапан ГК и запускает выдержку времени τ

(продувка газа перед сваркой). Кроме

того, этот сигнал поступает на вход инвертора НЕ 1 и на один из входов схемы

совпадения И 1. По истечению промежутка времени, отсчитываемого схемой

временной задержки, на ее выходе появляется сигнал, который через схему ИЛИ 2

запускает привод Д и переключает в рабочее состояние запоминающее устройство ЗУ,

а через схему ИЛИ 3 включает контактор источника питания дуги КИП. Начинается

сварка.

Рис. 2.20. Функциональная схема блока БУ-01.