Лекции - Автоматизация сварочных процессов

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 4.4. Схема системы дуговой сварки роботом с системой технического зрения. 1 – видеосенсор; 2 – сварочная

головка; 3 – щиток; 4 – позиции коррекции; 5 – линии сканирования; 6 – стык; 7 – лазерный луч; 8 – телекамера; ИСС –

интерфейс сварочного стола; ИЭВМ – интерфейс микроЭВМ; КСС – контроллер сварочного стола; ПОИ – процессор

обработки изображения; Р – робот; СО – сварочное оборудование; СП – специализированный предпроцессор; СС –

сварочный стол; СУУ – супервизорное устройство управления; УУР – устройство управления роботом.

Одной из первых практически использованных систем адаптации была система

японского робота «М-р. Арос» фирмы «Хитачи», построенная на основе двух

магнитных датчиков, которая позволяла корректировать движения робота вдоль

углового шва. Преимуществом данной системы являлась ее простота и возможность

работы в процессе сварки. Основным недостатком этой системы было невозможность

адаптации к швам сложной пространственной конфигурации.

Значительно боле сложной и универсальной является система адаптации

сварочного робота японской фирмы «Фудзи электрик», построенная на основе двух

телевизионных датчиков и источника специального освещения. Основой алгоритма

коррекции в этой системе является измерение радиусов светового пятна,

принимающего в зависимости от взаиморасположения плоскостей свариваемых

объектов вид эллипсов разной кривизны и разной симметрии. Однако система не

может работать при горении дуги и требует предварительного корректирующего

прохода.

Наибольшее практическое применение получила система адаптации фирмы

«Шин Мейва» (Япония), в которой электрод сварочной горелки используется в

качестве щупа датчика касания, а манипулятор становится измерительным

инструментом. Для выполнения функции измерения горелка по сигналу от системы

управления робота отключается от сварочного источника питания и подключается к

маломощному источнику повышенного напряжения и частоты. Далее запускается

специальная поисковая программа, в соответствии с которой манипулятор движется к

месту расположения корректирующих базовых точек до соприкосновения с изделием.

В момент касания считываются показания датчиков положения звеньев манипулятора,

на основе которых определяется реальное положение точки касания.

Интерес представляет система адаптации, в которой в качестве датчика

используется сама дуга, вернее ее электрические параметры, измеряемые в процессе

сварки и позволяющие реагировать на аномалии стыковой разделки шва. Для

реализации такой системы адаптации используется функция поперечных

колебательных движений горелки, имеющаяся практически у всех сварочных роботов.

При этом в моменты максимальных значений амплитуд фиксируется значение

сварочного тока, который в зависимости от растяжения или укорочения дуги

вследствие аномального удаления или приближения свариваемых элементов из-за

погрешностей разделки изменяет свое значение. Разность значений тока сварки в

соответствующей подпрограмме работы СУ используется как сигнал коррекции

движения манипулятора.

Даже при наличии современных и эффективных средств адаптации роботизация

дуговой сварки требует определенного, а в ряде случаев значительного повышения

уровня заготовительного производства, раскроя металла, разделки стыка, т.е.

подготовки изделий к сварке. В конечном итоге затраты на заготовительное

производство и подготовку к сварке элементов изделий окупаются благодаря резкому

повышению и стабилизации их качества, экономии материалов, энергии, повышению

производительности труда, коэффициента сменности и высвобождению рабочих.

5 Автоматизация электрошлаковой сварки

Шлаковую ванну можно рассматривать как нелинейное активное сопротивление,

зависящее от температуры расплавленного шлака, размеров и формы шлаковой ванны,

размеров, относительного расположения и глубины погружения электродов в

шлаковую ванну.

Тепловая инерция шлаковой ванны велика. Нагрев электрода происходит

главным образом за счет контакта его с расплавленным шлаком. С увеличением

скорости подачи электрода взрастает глубина погружения его в шлак и температура

шлака, особенно в объеме межу торцом электрода и поверхностью металлической

ванны. Сокращение расстояния между торцом электрода и поверхностью

металлической ванны, а также повышение температуры шлака приводит к

возрастанию проводимости между электродом и металлической ванной и

соответствующему увеличению тока.

Режим ЭШС в сравнении с режимом дуговой сварки определяется значительно

большим количеством параметров: током I

, падением напряжения на ванне U

поперечным сечением электрода F

, глубиной шлаковой Н

и металлической Н

ванн

(рис.5.1), «сухим» вылетом электрода h

, положением конца электрода относительно

зеркала металлической ванны l

, скоростью сварки V

св

, скоростью

Рис. 5.1. Схема процесса ЭШС (b — толщина заготовок).

поперечных перемещений электродов V

, приближением а и выдержкой

электродов у ползунов τ, родом тока и полярностью.

Особенность процесса ЭШС – возможность его устойчивого протекания при

жестких и пологопадающих характеристиках источников питания. При низком

напряжении холостого хода уменьшается вероятность возбуждения дуги между

электродом и металлической ванной.

Другой важной особенностью процесса ЭШС является большая, чем при

дуговой сварке, взаимосвязанность параметров режима. Так, сварочный ток I

зависит

не только от U

, V

, вылета электрода l

, но и от зазора δ между кромками

свариваемых деталей и скорости сварки. Однако все эти факторы оказывают слабое

влияние на I

и главным регулирующим воздействием на сварочный ток считают

скорость подачи V

Падение напряжения U

зависит от глубины погружения электрода в шлак,

равный разности (l

– h

), удельного сопротивления шлака (ρ

), сопротивления вылета

электрода. Увеличение напряжения сопровождается увеличением расстояния l

уменьшением проводимости ванны. Избыток мощности идет на дополнительное

расплавление основного металла. При снижении напряжения величина l

уменьшается, проводимость ванны возрастает. Однако средняя температура ванны

снижается, что может привести к непроварам. При малых U

возможен местный

перегрев шлака и его вскипание, которое сопровождается образованием дуги и

нарушением процесса ЭШС. При заданном токе I

напряжение можно регулировать в

значительных пределах изменением ЭДС источника питания. Регулирование процесса

ЭШС воздействием на сопротивление сварочной цепи не производится т.к. теряются

преимущества сварки от источников с жесткой характеристикой.

Воздействием на скорость V

или на скорость перемещения ползунов V

св

можно

регулировать уровень металлической ванны и ее глубину Н

Нормальный ход ЭШС нарушают следующие возмущения:

1) изменение зазора между кромками;

2) изменение физико-химических свойств шлака (ρ

);

3) изменение скорости подачи электродной проволоки, скорости сварки,

вылетов проволоки, нестабильных контактов в токоподводящих мундштуках;

4) изменение напряжения сети и параметров сварочной цепи;

Анализ влияния различных возмущений на процесс ЭШС показывает, что

практически невозможно компенсировать отклонение одного параметра без

нарушения геометрических размеров шва, доли основного металла в шве,

термического цикла и т.п. Поэтому для получения качественных сварных соединений

необходимо поддерживать с требуемой точностью все параметры режима сварки или

изменять их по определенному закону, если это нужно по технологическим

соображениям.

Процесс ЭШС имеет много общего с дуговой сваркой с точки зрения

регулирования основных энергетических параметров режима. Оба процесса обладают

свойством саморегулирования, сходны также кривые устойчивой работы, вольт—

амперные характеристики, снятые при постоянных скоростях подачи. Поэтому

основные способы регулирования и схемы регуляторов подобны применяемым при

дуговой сварке.

Системы саморегулирования. Возникающие в процессе ЭШС при постоянной

скорости подачи по тем или иным причинам кратковременные отклонения длины

«мокрого» вылета самопроизвольно ликвидируется, если причина возникновения

отклонения исчезла. Если же возмущение, нарушившее процесс, сохраняется

длительно, то процесс переходит в новое состояние, отличное от исходного.

Саморегулирование плавления электродной проволоки при ЭШС в достаточной мере

интенсивно, и сварочный ток практически не изменяется при действии на систему

любых возмущений.

Наиболее сильное влияние на режим сварки оказывают колебания питающей

сети. Относительные изменения U

приблизительно равны относительным

изменениям напряжения U

Увеличению U

соответствует снижение проводимости шлаковой ванны и тока

. Проводимость можно снизить уменьшением мокрого вылета. При чрезмерном

повышении U

«мокрый» вылет может настолько уменьшится, дальнейшее

протекание процесса станет невозможным. Между поверхностью ванны и электродом

возбуждается дуга. Оголению электрода также способствуют электромагнитные силы.

Снижению U

соответствуют увеличение «мокрого» вылета электрода и

возрастание проводимости ванны, при этом процесс переходит в новое состояние.

Средняя температура ванны падает, что увеличивает вероятность непровара. При

чрезмерном снижении U

расстояние l

становится настолько малым, что возникает

местный перегрев шлака и его вскипание, несмотря на пониженную среднюю

температуру ванны. Вскипание шлака ведет также к образованию дуги.

Поэтому стабилизация напряжения на шлаковой ванне—необходимое условие

для получения качественного сварного соединения.

Время переходного процесса при саморегулировании ЭШС пропорционально

квадрату характерного линейного электрода (например, квадрату диаметра

электродной проволоки или квадрату толщины пластины).

Системы регулирования напряжения. Наиболее просто такая система

реализуется с помощью тиристорного контактора, последовательно включенного в

первичную цепь сварочного трансформатора. В отличие от электродуговой сварки

такое включение вполне допустимо, поскольку шлаковая ванна представляет собой

активное сопротивление и перерывы в протекании сварочного тока в каждом

полупериоде не снижают устойчивости процесса сварки.

5.1 Регулирование уровня металлической и шлаковой ванн.

При ЭШС необходимо, чтобы уровень металлической ванны относительно

ползунов сохранялся неизменным. Это достижимо, если в каждый момент времени

соблюдается условие

св

= F

где F

—площадь поперечного сечения металла, необходимого для заполнения

зазора и создания усиления шва; V

св

—скорость перемещения аппарата; F

—площадь

поперечного сечения электродной проволоки; V

—скорость подачи электродной

проволоки.

Применение регуляторов, воздействующих на скорость V

, а также вероятность

появления возмущений по разделке шва, для компенсации которых необходимо также

изменять V

, не позволяют в полной мере применять схемы регулирования уровня

ванны путем воздействия на этот параметр. Поэтому чаще всего применяют

регуляторы с воздействием на скорость V

св

Определение уровня металлической ванны связано со значительными

трудностями, вызванными тем, что необходимо регистрировать и управлять

неэлектрической величиной, а также тем, что ванна покрыта слоем шлака. Поэтому

основным элементом САР уровня металлической ванны являются датчики, которые

должны обеспечивать минимальную погрешность измерения.

Термодатчики. Наибольшее распространение получил способ контроля уровня

ванны с применением дифференциальных термопар. К медному ползуну (рис. 5.2)

привариваются две константановые проволоки, образующие две встречновключенные

термопары: константан—медь и медь—константан. Один спай располагается

несколько выше требуемого уровня металла, другой ниже. Результирующая ЭДС

термопар пропорциональна разности температур в местах спаев. Опытами

установлено, что результирующая ЭДС термопар равна нулю, когда уровень

металлической ванны находится приблизительно посредине между точками приварки

термопар. Разность термо—ЭДС в дифференциальной схеме очень мала и требует

применения усилителей с высоким коэффициентом усиления.

Рис. 5.2. Схема контроля уровня металлической ванны дифференциальной термопарой θ (а) и и распределение

температуры Т (б) по высоте L ползуна : 1 – в ползуне; 2 – в зоне сварки.

Контактные датчики. Способ измерения уровня металлической ванны с

помощью контактного датчика, представляющего собой металлический щуп, является

наиболее простым. Охлаждаемый водой вертикальный щуп помещается в зазор между

свариваемыми изделиями на заданной высоте. Замыкание цепи щуп—изделие служит

сигналом для управления процессом сварки.

Чаще всего применяется горизонтальный медный щуп, изолируемый от

накладки и вмонтированный в ползун. Такой щуп не зашлаковывается, не смачивается

расплавленным металлом, обладает хорошей износостойкостью и позволяет выделить

достаточный по величине электрический сигнал. Если падение напряжения на щупе

равно нулю, т.е. он закорочен на металлическую ванну, то схема управления выдает

сигнал на перемещение сварочного аппарата вверх со скоростью, превышающей

скорость образования шва. Благодаря этому щуп отрывается от металлической ванны

и напряжение на нем становится отличным от нуля. Это напряжение сравнивается с

заданным, снимаемым с RP (рис. 5.3), и в случае их совпадения, схема управления

выдает сигнал на остановку аппарата. Уровень металлической ванны относительно

щупа начинает повышаться вплоть до замыкания щупа на ванну, после чего цикл

повторяется. Практика показала, что рассмотренный регулятор работает устойчиво

при всех режимах сварки. Недостаток его – невысокая эрозионная стойкость щупа.

Более надежна в работе система, в которой щуп вибрирует посредством

генератора ультразвуковых колебаний (УЗК) и создает на его рабочей поверхности

кавитацию жидкого металла или шлака. При этом уменьшается эрозия его рабочей

поверхности.

Рис. 5.3. Схема регулятора уровня металлической ванны с электрическим щупом.

6 Автоматизация электронно-лучевой сварки

К управляющим воздействиям при ЭЛС относятся: U

—ускоряющее

напряжение; I

—ток электронного луча; α

сх

—угол сходимости луча, который

регулируется изменением тока фокусирующей катушки I

; h

—расстояние от

поверхности детали до наименьшего сечения луча; r

—радиус электронного луча;

св

—скорость сварки. Режим сварки задается величинами I

и V

св

Параметры режима сварки, установленные исходя из условия получения

заданного качества сварного шва, не удается выдержать без САР даже для одного

протяженного шва и тем более при поочередной сварке различных заготовок. Причина

этого — действие различных возмущений на сварочную установку. Так напряжение

сети может изменяться на +10…-15% от номинального значения. Температура

элементов ЭЛС установки и электронных схем управления может изменяться

вследствие саморазогрева на 50

С и более. Изменяются эмиссионная способность

катода ЭЛП и ее оптика из-за износа катода вследствие ионной бомбардировки, из-за

напыления парами свариваемого металла. Изменение внутреннего сопротивления

источника ускоряющего напряжения является причиной изменения ускоряющего

напряжения и тока электронного луча.

Вследствие этих возмущений может изменяться ток электронного пучка, энергия

электронов, положение наименьшего сечения луча, углы его схождения и

расхождения, закон распределения плотности тока по сечению, скорость сварки. Для

исключения влияния перечисленных возмущений на качество сварки применяют

локальные автоматические регуляторы параметров режима ЭЛС.

Структурная схема современной электронно-лучевой установки приведена на

рис. 6.1. Все основные выходные переменные в ней стабилизированы локальными

регуляторами параметров режима ЭЛС. Установки на регуляторы поступают с ручных

задатчиков либо от устройств централизованного управления, например от

управляющей ЭВМ.

Рис. 6.1. Структурная сема установки для ЭЛС:

ЭЛП — электронно-лучевая пушка; РТН — регулятор тока накала; РТБ —

регулятор тока бомбардировки; РТЛ — регулятор тока луча; ИВН — источник

высокого напряжения; КУН — блок коррекции по ускоряющему напряжению; РТФ

— регулятор тока фокусировки; РТОХ, РТОУ — регуляторы тока отклонения; ГР —

генератор периодических разверток пучка; БСС — блок слежения за стыком и

визуализации; РСХ, РСУ, РСZ — регуляторы скорости приводов перемещения

изделия; БУИ — блок задатчиков, управления, контроля и индикации.

6.1 Регуляторы ускоряющего напряжения и тока луча

Для регулирования мощности луча в установках для ЭЛС используется

управление ускоряющим напряжением (рис. 6.2) или силой тока пучка электронов

(рис. 6.3). В схеме на рис. 6.2 мощность пучка вычисляется в блоке умножения 8. В

нем происходит перемножение сигналов, снимаемых с резисторов R2, R3,

пропорционального ускоряющему напряжению U

УСК

, и с резистора R1,

пропорционального току пучка I

. Вычисленная мощность пучка в блоке 6

сравнивается с установкой требуемой мощности, задаваемой блоком 5. Сигналом

рассогласования через усилитель 7 и силовой блок 11 с помощью регулятора 10

ускоряющего напряжения управляют напряжением на входе силового выпрямителя 9

ускоряющего напряжения.

Рис. 6.2. Функциональная схема регулирования мощности пучка электронов с помощью управления ускоряющим

напряжением U

уск

: 1 – стабилизированный источник накала катода; 2 – блок управления; 3 – источник тока

фокусирующей системы; 4 – источник тока отклоняющей системы; 5 – блок задания мощности луча; 6 – блок сравнения;

7 – усилитель; 8 – блок умножения; 9 – силовой выпрямитель ускоряющего напряжения; 10 – регулятор ускоряющего

напряжения; 11 – силовой блок.

Чтобы стабилизировать фокусное расстояние магнитной линзы при изменении

ускоряющего напряжения, в схему введена цепь коррекции тока магнитной линзы с