Лекции - Автоматизация сварочных процессов

Подождите немного. Документ загружается.

По окончании сварки отпускают кнопку К на горелке, и сигнал с ее выхода

становится равным нулю. Это приводит к остановке привода и к появлению сигнала на

выходе схемы НЕ 1. При этом газовый клапан ГК и контактор источника питания КИП

остаются включенными за счет сигналов, поступающих на схему ИЛИ 1 с выхода

схемы И 3 и на схему ИЛИ 3 с выхода схемы И 2. Выходные сигналы со схем И 2 и И

3 обусловлены совпадением по времени сигналов на их входах. На первый вход схемы

И2 поступает сигнал с выхода инвертора И2, так как на его входе до окончания

отсчета выдержки времени τ

отсутствует. Аналогичным путем поступает сигнал на

первый вход схемы И3. На вторые входы схем И2 и И3 сигнал поступает с рабочего

выхода запоминающего устройства.

За время отсчета выдержки τ

происходит растяжка дуги, а при появлении

сигнала на выходе схемы τ

пропадает сигнал на выходе схемы И2, что приводит к

отключению контактора источника питания КИП.

Выдержка времени τ

заранее устанавливается на значение времени,

необходимого для обдува сварочной ванны при остывании после сварки. По истечении

этого времени на выходе схемы τ

появляется сигнал, отключающий по цепи НЕ3, И3,

ИЛИ1 газовый клапан ГК, а по цепи НЕ3, И3, НЕ4 возвращающий ЗУ в исходное

положение.

При работе полуавтомата в режиме коротких швов – прихваток, т.е. в режиме,

когда следующий запуск схемы производится при еще не отключенном в предыдущем

цикле газовом клапане, новый цикл начинается без отсчета времени τ

. Это

обеспечивается с помощью запоминающего устройства ЗУ и схемы И1.

Блок БУ-01 выполнен на базе дискретных полупроводниковых приборов –

диодов и транзисторов. Схемы И и ИЛИ построены на диодах, схемы НЕ и ЗУ на

транзисторах. Узел управления частотой вращения электродвигателя в силовой части

выполнен по двухполуперидной схеме с управляемым мостом.

Конструкция блока представляет собой металлическое шасси с набором из

четырех установленных в нем печатных плат. Кроме того, на шасси блока установлен

газовый клапан. На лицевой панели блока имеются два штепсельных разъема для

соединения его с пультом дистанционного управления и с подающим механизмом

полуавтомата, а также два газовых разъема для включения тракт защитного газа

газового клапана.

3. Автоматизация контактной сварки

3.1 Контактная точечная (шовная) сварка

Основные параметры контактной сварки: сварочный ток I

св

; время сварки t

св

, а

для шовной сварки время импульса t

и время паузы t

между импульсами сварочного

тока; усилие сжатия F

сж

электродов; размеры рабочей поверхности электродов и

роликов; для шовной сварки режим еще характеризуется скоростью перемещения V

св

свариваемых деталей.

На сварочную машину действуют следующие возмущения: колебания

напряжения питающей сети u

; изменение сопротивления контура машины (активного

и индуктивного X

= ωL); изменение усилия сжатия электродов, вследствие

изменений давления в воздушной сети; изменение геометрических размеров рабочей

поверхности электродов; изменение скорости при шовной сварке.

Возмущения, оказывая различные влияния на отдельные этапы процесса сварки,

параметры режима и работу сварочной машины, приводят к нарушению условий

образования сварного соединения и ухудшению его качества.

Для предупреждения вредного влияния возмущений на качество сварных

соединений применяют методы и устройства автоматического регулирования.

Основная задача регуляторов — стабилизация параметров режима сварки либо их

изменение по программе, обеспечивающей протекание процесса в оптимальных

условиях.

Система программного управления (СПУ) состоит из следующих компонентов:

устройства для задания цикла сварки РЦС и исполнительных устройств —

тиристорного контактора ТК, трансформатора сварочной машины СМ, и привода

подвижного электрода—привода сжатия ПС с аппаратурой управления. РЦС по

существу является задатчиком тока и времени. В него входят блоки задания времени

БЗВ, тока БЗТ. РЦС, воздействуя на ТК, обеспечивает включение и выключение

трансформатора сварочной машины.

В конденсаторных машинах система управления состоит из блока,

обеспечивающего зарядку конденсаторной батареи до требуемого напряжения и

тиристорного ключа для разрядки конденсаторов на сварочный трансформатор.

Тиристорные контакторы (рис. 3.1). В исходном состоянии тиристоры VS1 и

VS2 закрыты и не проводят ток. С РЦС на обмотку 1 трансформатора Т поступают

униполярные импульсы с частотой, в 2 раза превышающей частоту сети. Со

вторичных обмоток эти импульсы подаются на управляющие электроды VS1 и VS2 .

Поскольку тиристоры соединены встречно-параллельно, то включится тот из них, к

аноду которого в данный момент времени прикладывается положительная полуволна

напряжения. В следующий полупериод включится другой тиристор, и таким образом

через сварочный трансформатор Т

будет протекать переменный ток.

Системы импульсно—фазового управления (СФУ) тиристорами. Эти системы

содержат фазосдвигающее (ФУ) и выходное (ВУ) устройства. ФУ осуществляет

привязку СФУ к сети переменного тока, от которой питается ТС, и обеспечивает

формирование управляющих импульсов и плавное изменение их фазы относительно

напряжения сети. Импульсы с (ФУ) на силовые тиристоры поступают не

непосредственно, а через усилительное ВУ, которое окончательно формирует

импульсы с параметрами, обеспечивающими гарантированное включение любого

Рис. 3.1. Схема тиристорного контактора.

тиристора данного типа в заданном диапазоне температур. При этом мощность

потерь в цепи управления тиристора не должна превышать допустимого значения.

Рис. 3.2. Схема импульсно-фазового управления тиристорным контактором.

3.2 Типовые регуляторы времени и циклов сварки

Регуляторы времени РВТ. Построены на основе маломощных тиристоров,

которые используются для выполнения логических операций, включения

исполнительных устройств (электропневматических клапанов, тиристорных или

игнитронных контакторов) и сигнализации. Совмещение в одном активном элементе

(тиристоре) логических функций и усилителя мощности позволило упростить

электрические схемы аппаратуры управления.

Регуляторы РВТ позволяют задавать величину и длительность трех независимых

импульсов тока («подогрев», «сварка», «отжиг»), а также изменять по программе

усилие сжатия электродов.

Рис. 3.3. Схема регулятора РВТ.

Схема простейшего регулятора приведена на рис. 3.2. Он обеспечивает задание

четырех операций: «сжатие», «сварка», «проковка», «пауза». Регулятор представляет

собой аналоговую систему управления с времязадающим контуром RC,

синхронизированным импульсами частотой питающей сети. При включении педали

блок коммутации обеспечивает поочередное включение тиристорных ячеек, задающих

последовательность операций цикла.

Регуляторы РВТ обеспечивают отработку длительности операций от 0,02 до 2

сек с дискретностью 0,02 сек и в диапазоне от 0,04 до 4 сек с дискретностью 0,04 сек.

Регуляторы цикла сварки РЦС. Выполнены на унифицированных транзисторно-

диодных элементах серии «Логика Т». При высокой производительности (до 750 точек

в мин) и надежности (гарантированный срок службы элементов, из которых собрана

схема, 5 лет) обеспечивают синхронное включение сварочного тока, четное число

полуволн сварочного тока и плавную его регулировку, постоянство установленных

значений выдержек времени сварки, что облегчает решение задач по стабилизации

качества сварных точек.

Регуляторы цикла сварки (РКС) на интегральных микросхемах. Разработаны в

последние годы. Схемы их принципиально не отличаются от РЦС и содержат такие же

узлы и блоки. Регуляторы типа РКС-501 (601, 901) выполнены на интегральных

микросхемах сери К-155. Имеют 5 независимо регулируемых временных интервалов:

«предварительное сжатие», «сжатие», «сварка», «проковка» и «пауза».

По принципу действия регуляторы относятся к системам дискретного задания

временных интервалов по периодам питающей сети.

Перспективным является использование контроллеров, выполненных на базе

микропроцессоров, например серии К580. Контроллеры позволяют хранить в памяти

несколько десятков программ режимов сварки, значения токов сварки, подогрева,

отжига, сварочного и ковочного усилия сжатия и т.п. Требуемую программу режима

может вызвать оператор сварщик.

3.3 Автоматическое регулирование процессов точечной сварки.

Автоматическое регулирование сварочного тока. Ток измеряют специальными

измерительными преобразователями, в качестве которых используют шунты,

трансформаторы тока, пояс Роговского, датчики Холла и др. Поскольку вторичные

токи достигают несколько десятков и даже сотен кА, наиболее удобным датчиком

является пояс Роговского, который представляет собой тороид из немагнитного

материала, равномерно обвитый тонким проводом. Этот тороид устанавливается на

токоведущих частях вторичного контура сварочной машины. ЭДС на выходе тороида

E = - µ

Fw(di/dt)/l,

где µ

– магнитная постоянная; F – поперечное сечение тороида; w – количество

витков обмотки; l – длина средней линии тороида.

Напряжение тороида подается на интегратор, выходное напряжение которого

оказывается пропорциональным мгновенному значению сварочного тока i

св

Простейший интегратор представляет собой RC – цепь, на выходе которой

напряжение приблизительно пропорционально интегралу от входного сигнала:

вых

= u

= (∫ u

вх

dt) /RC

если RC>>t

Интегрирование выполняется с помощью операционного усилителя (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Интегратор на операционном усилителе.

Контакт S предназначен для установки нулевых начальных условий на

конденсаторе. Напряжение, пропорциональное переменному току, сравнивается с

заданным значением. Разница этих сигналов используется для управления

фазовращателем.

Регуляторы параметра (I

t). Зависимость между временем протекания

сварочного тока и размерами ядра точек позволяет создать устройство для

стабилизации прочности шва путем регулирования времени сварки. При достижении

величиной (I

t) заданного уставкой значения прекращается подача импульсов

включения на тиристорный контактор и сварочный ток отключается.

Принципиальная схема регулятора приведена на рис. 3.5. Схема состоит из

входной R

С цепи и двух операциоонных усилителей DA1 и DA2, причем DA2

работает в режиме компаратора. Входной сигнал, пропорциональный действующему

или среднему значению сварочного тока, подается на вход схемы. Ели соблюдаются

условия τ = R

С >> t

св

, а нелинейное сопротивление имеет квадратичную зависимость,

то напряжение на конденсаторе С

= kI

При U

= U

зад

в момент t

на выходе компаратора появляется напряжение,

которое запирает тиристорный контактор и тем самым отключает сварочный ток.

Регуляторы мощности и энергии. Выходное напряжение измерительного узла

регулятора мощности должно быть пропорциональным произведению сварочного тока

св

на падение напряжения между электродами u

эл

P=I

св

эл

Рис. 3.5. Схема регулятора параметра I

Особенность регулятора - наличие устройства для перемножения напряжений,

пропорциональных I

св

и U

эл

. Для получения сигнала, пропорционального

произведению двух величин, заданных в виде напряжений постоянного тока,

используют последнее каскадное соединение широтно-импульсного модулятора

ШИМ, линейного амплитудного модулятора ЛАМ и фильтра средних значений Ф.. На

рис. 3.6 показана упрощенная схема устройства, в котором ШИМ собран на

транзисторе VT1 и интегральном усилителе DA1, ЛАМ-- на транзисторе VT2, а фильтр

- на резисторе R6 и конденсаторе С3. На базу VT1 подаются импульсы с частой сети,

обеспечивая быстрый разряд конденсатора С1, на котором формируется

пилообразное напряжение. Это напряжение подается на вход усилителя DA1,

работающего в режиме компаратора. На другой дифференциальный вход этого

усилителя подается напряжение U

вх1

= kI

св

. На выходе компаратора образуются

прямоугольные импульсы, длительность которых t пропорциональна I

св

. Эти импульсы

управляют амплитудным модулятором, на выходе которого формируются импульсы с

длительностью, пропорциональной I

св

, и амплитудой, пропорциональной U

вх2

= kU

эл

Фильтр средних значений выделяет постоянную составляющую U

вых

= kI

св

эл

пропорциональную мощности.

В регуляторах энергии множительное устройство обеспечивает перемножение

трех величин: I

св

, U

эл

, t

св

. Дальнейшее использование сигналов, пропорциональных

мощности или энергии, осуществляется так же, как в регуляторах тока и напряжения.

Стабилизация мощности или энергии позволяет исключить влияния многих

возмущений, включая износ электродов.

Рис. 3.6. Схема регулятора мощности и энергии.

3.3 Контактная стыковая сварка как объект управления и задачи ее

автоматизации

Нагрев металла при стыковой сварке происходит за счет работы тока на

переходном сопротивлении электрического контакта в месте стыка.

При сварке сопротивлением свариваемые изделия предварительно сводятся до

соприкосновения с определенным усилием, после чего включается ток.

Режим сварки определяется установочной длиной деталей, напряжением на

вторичной обмотке сварочного трансформатора и усилием сжатия деталей в осевом

направлении. Команды на изменение усилия сжатия и выключение тока после осадки

чаще всего подаются от конечных выключателей, установленных по ходу движения

подвижного зажима машины, или реле времени.

Сварку оплавлением подразделяют на сварку непрерывным оплавлением и

оплавлением с предварительным подогревом методом сопротивления. При сварке

непрерывным оплавлением детали сближают с постоянной или постепенно

нарастающей скоростью при включенном сварочном трансформаторе. Оплавление

деталей происходит в результате непрерывного образования и разрушения жидких

контактных перемычек между торцами заготовок и сопровождается интенсивным

выбросом частиц расплавленного металла и укорочением деталей.

Режим непрерывного оплавления определяется скоростью перемещения

подвижной плиты машины V

, вторичным напряжением трансформатора U

сопротивлением машины Z

к.з

, вылетом деталей и припуском на оплавление ∆

опл

Получение качественного соединения возможно при небольшой зоне нагрева,

достигаемой за малое время при большой скорости оплавления. Поэтому требуемую

зону разогрева при сварке развитых сечений можно получить только подбором

соответствующей программы скорости при U

= const .При сварке оплавлением с

предварительным подогревом требуемое температурное поле получают при нагреве

деталей методом сопротивления. Предварительный нагрев осуществляется путем

сообщения одной из деталей возвратно-поступательного движения, и периодическим

замыканием и размыканием сварочной цепи. Вследствие этого достигается

выравнивание температурных полей по поперечному сечению деталей. Параметры

режима предварительного подогрева предопределяют температурное поле в зоне

сварки к моменту перехода от подогрева к непрерывному оплавлению. Важной

задачей при этом является определение момента окончания подогрева и перехода к

оплавлению, так как от этого зависит ширина зоны разогретого металла и

производительность процесса. Роль оплавления сводится в рассматриваемом случае к

созданию слоя жидкого металла на торцах заготовок и соответствующей защитной

атмосферы в искровом промежутке. Большой запас устойчивости процесса оплавления

достигается даже на машинах с повышенным сопротивлением Z

к.з

благодаря

предварительному подогреву металла и возможности повышения напряжения U

без

существенного ущерба для качества соединений. Поэтому в машинах для сварки с

предварительным подогревом управление подогревом ограничивается изменением

скорости V

по предварительно выбранной программе без обратной связи по

параметрам процесса.

Процесс прерывистого подогрева заканчивается, когда торцы заготовок

разогреваются настолько, что возможно устойчивое оплавление при установленной

скорости перемещения. Управление приводом перемещения подвижной плиты

машины осуществляется на основе информации о значении тока короткого замыкания

торцов заготовок. В начале процесса подогрева, когда детали не разогреты и величина

контактного сопротивления минимальна, ток имеет максимальное значение. По мере

разогрева и оплавления торцов заготовок контактное сопротивление возрастает, что

приводит к уменьшению начального значения тока. Это снижение тока регистрируется

датчиком, который выдает сигнал на переход привода в режим непрерывного

оплавления.

Широкое распространение получили также системы программного управления

подогревом. Обычно программируется длительность импульсов тока короткого

замыкания и пауз между ними, а также общее время подогрева. Команда на переход от

подогрева к оплавлению подается счетчиком импульсов. После отработки заданного

числа импульсов подогрева по сигналу счетчика происходит уменьшение скорости

перемещения плиты машины, что обеспечивает переход к режиму устойчивого

оплавления.

Принудительный переход к непрерывному оплавлению возможен и без

изменения скорости перемещения плиты машины, если обеспечить повышение

вторичного напряжения сварочного трансформатора по окончании цикла подогрева.

Управление процессом оплавления. Наиболее распространенное направление

автоматизации процесса контактной сварки непрерывным оплавлением —

программирование основных параметров режима. Практически управление процессом

оплавления ограничено возможностями изменения по заданной программе скорости

перемещения плиты машины или вторичного напряжения. Указанные параметры

могут изменяться одновременно в функции времени или пути перемещения

подвижной плиты.