ВСТУП

Зварювання не могло б успішно розвиватись, якби базувалось тільки на вмінні та особистих здібностях оператора-зварника, тому, що фізичні данні та психологічні особливості людини просто недостатні для керування швидкоплинними процесами з високими енергетичними характеристиками. Тому застосування засобів механізації та автоматизації зварювання вже на перших етапах його розвитку виявилось закономірним і пов'язаним з об'єктивними особливостями цього технологічного процесу.

Механізація - один з провідних методів підвищення продуктивності праці який полягає в повній або частковій заміні машинами та механізмами ручної праці робітників. Автоматизація - застосування автоматичних (самодіючих) технічних пристроїв з метою виконання функцій керування технологічними процесами (ТП) виготовлення продукції без безпосередньої участі людини. При автоматизації процеси отримання, перетворення та використання енергії, матеріалів або інформації виконуються автоматично (тобто, без участі людини). В залежності від ступеню автоматизації систем керування розрізняють системи автоматизовані, в яких частину функцій керування виконує людина, та системи автоматичні, що функціонують без участі людини в процесі керування. Автоматика - наука про загальні принципи і методи побудови самодіючих технічних систем, які виконують ті або інші операції, або виробляють ту або іншу продукцію без безпосередньої участі людини. По суті, автоматизація - якісно нова форма удосконалення виробничого процесу, при якій машині, яка стоїть між людиною та сировиною, передається багато функцій з керування як окремими операціями технологічних циклів, так і виробничими комплексами типу цехів і навіть заводів в цілому. Автоматизація нерозривно поєднана з механізацією і є, по суті, її вищою формою. Автоматизація здійснюється на основі використання засобів механізації окремих етапів виробничого процесу з об'єднанням їх загальною системою. керування, яка практично виключає участь людини-оператора у виконанні цього виробничого процесу. В наш час автоматизація є не стільки комплексом дій, спрямованих на поліпшення умов праці та економії людських та матеріальних ресурсів, скільки нагальна потреба, обумовлена характером сучасного виробництва і вимогами доякості продукту праці при його промисловому виробництві.

Мету та завдання автоматизації зварювальних процесів визначає досягнутий на сьогодні рівень розвитку суспільного виробництва. Мета автоматизації зварювальних процесів полягає в одержані зварних з'єднань з необхідними властивостями при найвищих техніко-економічних показниках без безпосередньої участі людини. Основні завдання, що вирішуються при автоматизації зварювальних процесів:

1.Забезпечення заданої якості зварних з'єднань і її стабілізація в межах усієї партії однотипних виробів. Вирішення цього завдання досягається в результаті підвищення точності керування і контролю, виключення впливу на технологічний процес суб’єктивних факторів;

2.Здійснення технологічних процесів зварювання, керувати якими людина не спроможна в зв'язку з необхідністю обробки значної за обсягом інформації за час, обмежений особливостями процесу;

3. Підвищення продуктивності зварювальних робіт, економія робочого часу, трудових, енергетичних і матеріальних ресурсів - перш за все в результаті мінімізації, аж до виключення, неприпустимих дефектів і, відповідно, втрат ресурсів на усунення браку; 4. Звільнення людини від безпосереднього виконання функцій керування зварювальними процесами в умовах шкідливих, або небезпечних для здоров'я, а також при виконанні рутинних операцій нетворчого характеру. Цей соціальний аспект автоматизації за останній час набуває все більшої актуальності.

Метою викладання дисципліни є формування чіткого уявлення про автоматизацію як якісно нову форму організації технологічних (зварювальних) процесів, спрямовану на реалізацію малолюдних технологій; ознайомлення з принципами побудови та характеристиками систем автоматизації типових процесів зварювання, основними технічними та апаратними засобами автоматизації - в обсягах, необхідних для функціонального аналізу, вибору та раціональної експлуатації типового зварювального обладнання, участі у вдосконаленні та налагоджуванні засобів автоматизації зварювальних процесів. Задачі курсу - ознайомлення з основами теорії автоматичного керування та принципами побудови і роботи систем автоматичного регулювання зварювальними процесами та автоматичного керування технологічними режимами електрозварювальних установок; ознайомлення з технічними та апаратними засобами автоматизації; здобуття навичок дослідження і налагоджування систем автоматики електрозварювальних установок. Учбовим планом дисципліни передбачені установчі лекції, лабораторні роботи і письмове контрольне завдання. Позитивна оцінка з контрольного завдання, виконання лабораторних робіт, оформлення їх відповідним протоколом і успішний захист є підставою для одержання заліку з дисципліни. Вивчення дисципліни закінчується складанням іспиту. Автоматизація будь якого технологічного процесу здійснюється на основі глибоких знань про сам процес. В зв'язку з цим вивчення загальних принципів автоматизації та їх конкретного застосування до задач зварювального виробництва базується на знаннях студентів, здобутих при засвоєнні учбових курсів "Теоретичні основи електротехніки", "Теорія зварювальних процесів", "Електроніка і схемотехніка", "Зварювальні джерела живлення", "Зварювання плавленням", "Зварювання тиском", а також дисциплін загальнонауковоїй підготовки.

РОЗДІЛ 1 ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ АВТОМАТИЧНОГО КЕРУВАННЯ Тема 1.1.Основні поняття теорії автоматичного керування Зміст понять: "автоматика", "автоматизація", "механізація". Керування, автоматичне керування. Задачі керування. Автомат, автоматика, автоматизація, механізація. Типова функціональна схема системи автоматичного керування.

Принципи автоматичного регулювання. Закони керування. Класифікація систем

автоматичного керування

[1 – стр.5-6]

Автоматизація зварювальних процесів як частина комплексної

автоматизації виробництва. Мета і завдання автоматизації зварювальних процесів.

Рівень автоматизації і продуктивність виробництва. Об’єкт керування при

автоматизації зварювального процесу. Енергетичні, кінематичні і технологічні

показники процесу зварювання, типові збурення. Порядок аналізу технологічного

процесу зварювання з метою його автоматизації

[1 – стр.9-15]

Методичні вказівки

Вивчення теми має дати чітке уявлення про роль механізації та

автоматизації технологічних процесів у сучасному виробництві. Необхідно

звернути увагу на ті особливості автоматизованих процесів, котрі сприяють

підвищенню ефективності виробництва. Труднощі комплексної механізації та

автоматизації зварювального виробництва, що обумовлені великим обсягом

допоміжних, складальних та супутніх операцій.

Тема передбачає ознайомлення з основними поняттями та визначеннями

теорії автоматичного регулювання, що закладає підвалини для розуміння

подальшого матеріалу. Керування визначається як зміна стану об'єкту, системи

або процесу, що призводить до досягнення поставленої мети. Метою керування

може бути зміна або підтримання сталого значення багатьох або одного

параметра системи (глибини провару, ширини шва, хімічного складу метала шва,

тощо). Керування одним параметром називають регулюванням. Вивчення

принципів автоматичного регулювання дозволяє зрозуміти основні підходи до

побудови систем автоматичного регулювання. Необхідно чітко розрізняти поняття

"принцип регулювання", "закон регулювання" та "мета регулювання (цільова

функція)". Особливу увагу слід звернути на сутність зворотного зв'язку, його роль

в технічних та природних процесах та системах.

Засвоєння класифікаційних ознак систем автоматичного регулювання та

керування дозволяє ґрунтовніше зрозуміти особливості та можливості

автоматичного керування. Потрібно чітко засвоїти основні класифікаційні ознаки

САР: за наслідками регулювання; за способом формування причинно-

наслідковими зв'язками; за способом завдання керуючої дії; за способом

перетворення сигналів.

Вивчення теми передбачає ознайомлення з принципами побудови систем

автоматичного регулювання і керування. Особливу увагу слід звернути на

експлуатаційні характеристики елементів САР процесами зварювання,

можливостях їх застосування в системах керування різними способами

зварювання, рівням потужності та характеру вхідних та вихідних сигналів.

Принциповою відміною технологічного процесу зварювання як об'єкту

керування від решти елементів САК є його "заданість" і неможливість зміни його

структури і характеристик, тоді як решту елементів системи підбирають

спеціально для вирішення заданої задачі керування.

Для більшості способів зварювання його можна розглядати як результат

функціонування системи "джерело живлення - джерело нагрівання - виріб", що

відбиває типову послідовність перетворення енергії. Електрична енергія, яка

подається з промислової мережі, перетворюється джерелом живлення у вид, який

найкраще відповідає кожному конкретному джерелу нагрівання, яке, у свою

чергу, перетворює цю енергію у термічний вплив на виріб і присаджувальний

(або електродний) матеріал. Окремі компоненти цієї системи об'єднані

зворотними зв'язками в складну багатозв'язкову систему. Дія цих зв'язків

виявляється в тому, що зміни в ході процесу формування зварного з'єднання

мають зворотну дію на джерело нагрівання і трансформатор енергії.

Кожен зварювальний процес можна характеризувати деяким числом

узагальнених координат (параметрів зварювального процесу), між якими існують

певні зв'язки. Всю багатоманітність параметрів процесу зварювання можна

умовно поділити на три групи:

енергетичні, що характеризують внесок енергії в процес утворення

зварного з'єднання;

кінематичні і геометричні, що характеризують просторове переміщення

або положення джерела нагрівання відносно виробу;

технологічні, що характеризують умови формування і кристалізації

зварних швів, перенесення електродного металу.

В умовах виробництва технологічний процес зварювання зазнає збурень —

впливів, які порушують нормальне протікання процесу і призводять до

відхилення показників якості зварного з'єднання від бажаних значень. Збурення

можуть впливати на всі без винятку параметри процесу зварювання, однак

класифікувати їх зручніше не за місцем прикладання, а за аналогією з

параметрами зварювального процесу.

Джерелами енергетичних і кінематичних збурень є промислова мережа і

власне зварювальне устаткування: джерела живлення, апаратура керування,

приводи подавання електрода, переміщення і т. ін.

Джерелами технологічних збурень є недосконалість технології підготовки

заготівок та їх складання, технологія зварювання, зовнішні впливи.

При вивченні теми особливу увагу необхідно приділити фізико-

технологічним особливостям кожного способу зварювання, що найбільш повно

визначають експлуатаційну надійність зварного з'єднання. Доцільним буде

дотримуватись такого порядку аналізу зварювальних процесів з метою їх

автоматизації, який включає такі етапи:

1.Визначення основних показників якості зварного з'єднання, що

забезпечують задані вимоги експлуатаційної надійності виробу;

2.Вибір з вихідних параметрів (показників процесу - з урахуванням їхнього

зв'язку з показниками якості зварних з'єднань) величин, що регулюються, тобто

параметрів, зручних для контролю та регулювання;

3.Оцінку імовірних збурень та їх впливу на зварювальний процес;

4.Виявлення найбільш небезпечних збурень, які вимагають запобігання

їхнього негативного впливу на процес зварювання і якість зварного з'єднання;

5.Формулювання задач автоматичного керування та регулювання;

6.Вибір регулюючих дій.

РОЗДІЛ 2 АВТОМАТИЗАЦІЯ ЗВАРЮВАННЯ ПЛАВЛЕННЯМ

Тема 2.1 Автоматизація електродугового зварювання

Дугове зварювання як об’єкт автоматичного керування

Характеристика об'єкту керування при дуговому зварюванні. Параметри,

що регулюються та керуючі дії. Типові збурення. Задачі керування. Програмне

керування зварювальними циклами. програмне керування енергетичними

параметрами зварювання.

[1 – стр.36-38]

Системи стабілізації енергетичних параметрів дуги

Саморегулювання дуги з плавким електродом (системи типу АРДС), САР

із зворотним зв'язком за напругою дуги для плавкого і неплавкого електроду

(системи типу АРНД), САР зварювального струму (системи типу АРСД).

[1 – стр.47-55]

Системи стабілізації енергетичних параметрів дуги

САР з дією на виліт електрода (системи типу АРВ). Аналіз статичних

властивостей систем типу АРДС, АРНД, АРСД і АРВ при роботі систем в умовах

сталих збурень. Порядок настройки струму і напруги при використанні

зварювальних апаратів систем АРДС, АРНД, АРСД, АРВ.

[1 – стр.57-62]

Системи керування кінематичними і геометричними параметрами

дугового зварювання

Суворо орієнтовані, не суворо орієнтовані і довільні зварні шви. Позиційні і

контурні, кінематичні і числові, одно- та багатокоординатні системи програмного

керування положенням зварювального пальника. Системи автоматичного

коригування положення електрода відносно стику зварюваних кромок.

Однокоординатні і багатокоординатні системи стеження за положенням електрода

відносно зварюваних кромок.

Тема 2.2 Автоматизація електрошлакового зварювання

Характеристика об'єкту керування при електрошлаковому

зварюванні.

Параметри, що регулюються та керуючі дії. Типові збурення. Задачі

керування. Стабілізація зварювального струму з використанням саморегулювання

плавлення електроду; САР струму при ЕШЗ з впливом на джерело живлення;

регулятори рівнів металевої та шлакової ванн.

Методичні вказівки

При вивченні теми треба звернути особливу увагу на те, що тільки

докладний аналіз особливостей технологічного процесу зварювання конкретного

виробу, а також характерних збурень, що його супроводжують, може дати вихідні

данні для вибору типу відповідної системи керування.

Важливою умовою одержання якісних зварних з'єднань є забезпечення

узгодженої в часі роботи всіх пристроїв зварювальної установки відповідно до

прийнятої послідовності операцій зварювального циклу, а також точне

розміщення електрода у відповідності до зварювальних кромок або шару (при

багатошаровому зварюванні або при наплавленні).

Системи автоматичного керування дуговим зварюванням, як правило,

забезпечують:

• програмне керування

. послідовністю операцій зварювального циклу,

. енергетичними параметрами (найчастіше - величиною зварювального

струму),

. кінематичними параметрами (рухом пальника),

. технологічними (перенесенням електродного металу до зварювальної

ванни, кінетикою кристалізації розплаву тощо);

• стабілізацію енергетичних параметрів: напруги і струму дуги, е.р.с.

джерела живлення, тривалості операцій зварювального циклу;

• стеження за кінематичними параметрами: довжиною дуги, її просторовим

положенням відносно виробу вильоту електрода та технологічними

параметрами (глибиною провару та інше);

Задачі автоматичного керування, які мають вирішуватись в зварювальній

установці, визначається:

• показниками експлуатаційної якості виробу

• технологією підготовки заготівок під зварювання

• технологією зварювання

(спосіб зварювання, порядок накладання швів, тощо)

• характером виробництва (одиничне, малосерійне, серійне, великосерійне,

масове)

Програмне керування є основним засобом реалізації циклів механізованого

дугового зварювання в захисних газах і під флюсом. Об'єктами програмного

керування в зварюванні можуть бути енергетичні, технологічні параметри

зварювального процесу.

Програмне керування доцільно використовувати у випадках, коли

. рівень і значимість збурень не призводять до виходу показників

експлуатаційної надійності і якості за встановлені межі

. закон, за яким діють збурення, відомий наперед і є однаковим для кожної

реалізації технологічного процесу зварювання.

Програма роботи пристроїв найчастіше жорстко закладена вже на етапах

розробки і виготовлення обладнання і через те будь-які зміни її в процесі

експлуатації ускладнюються, оскільки це пов'язано з перебудовою електричної і

кінематичної схем. Однак нині з’являється комерційно доступне обладнання, що

підтримує вільне програмування послідовності операцій в технологічному

процесі.

Для опису роботи обладнання під час виконання зварювальних циклів

найбільшого поширення на практиці набули циклограми, схеми алгоритмів,

графи функціонування та ін.

Доцільність застосування різних регуляторів енергетичних параметрів

дуги може бути оціненою за взаємним розташуванням статичної характеристики

дуги при різній силі струму і зовнішній характеристиці джерела зварювального

струму, обраною з урахуванням критерію стійкості дуги.

За малих зварювальних струмів, наприклад, при зварюванні вольфрамовим

електродом, спадна характеристика дуги в поєднанні з круто спадною

характеристикою джерела зварювального струму забезпечує достатню для

більшості випадків стабілізацію зварювального струму без застосування

спеціальних регуляторів. Однак при цьому відхилення напруги дуги, наприклад,

внаслідок зміни довжини дуги, можуть виходити за припустимі межі, що

обумовлює доцільність застосування у таких випадках автоматичних регуляторів

напруги дуги (АРНД). Аналогічно, щоб усунути відхилення струму і напруги

дуги для більшості застосовуваних режимів зварювання дугою, що вільно

розширюються ефективним є використання явища саморегулювання дуги

(системи АРДС), регуляторів типу АРНД з дією на швидкість подавання

електродного дроту або систем сумісного регулювання струму і напруги дуги з

дією на подавання електродного дроту і на джерело зварювального струму.

Зростаюча статична характеристика стисненої дуги, наприклад при зварюванні

тонким електродним дротом в захисному газі у поєднанні з жорсткою

характеристикою джерела зварювального струму вимагає застосування

автоматичних регуляторів струму дуги (типу АРСД, АРВ).

Оптимізація зварних конструкцій із урахуванням їхнього функціонального

призначення, малогабаритних та міцностних показників супроводжується

зростанням кількості швів складної форми, а також наплавлюваних кромок і

поверхонь складної конфігурації замість переважно застосовуваних у зварних

конструкціях прямолінійних і колових з'єднань і наплавлюваних поверхонь. Тому

автоматизація зварювання складних швів і наплавлення складних кромок та

поверхонь стає найактуальнішою.

Фактичне положення лінії з'єднання зварюваних деталей є результатом

сумісної дії ряду випадкових факторів і технологічних збурень:

. похибки виготовлення заготівок для зварних конструкцій;

. похибки складання заготівок перед зварюванням;

. похибок фіксації зварюваного виробу в позиції зварювання;

. похибок задавання і відпрацювання траєкторії зварювального руху;

. похибок через деформацій виробу в процесі зварювання.

Досвід показує, якщо сумісна дія зазначених факторів не призводить до

відхилень, що перевищують половину діаметра електродного або

присаджувального дроту, то траєкторії переміщення зварювального інструменту відносно лінії стику кромок можуть бути заданими напрямними візків або

кареток зварювальних апаратів чи засобами кінематичного або цифрового

програмного керування. Збурення, що призводять до відхилень, які перевищують

половину діаметра електродного або присаджувального дроту, вимагають для

керування переміщенням пальника застосування автоматичного слідкування за

стиком зварюваних кромок з урахуванням їх фактичного положення.

Проблема автоматизації зварювальних операцій за допомогою слідкуючих

систем - це перш за все проблема методів і засобів вимірювання фактичного

положення стику або поверхні, що наплавляється в умовах виготовлення того чи

іншого виробу. Залежно від місця точки вимірювання положення лінії з'єднання

зварюваних кромок виробу розрізняють системи з вимірюванням

1. попереду точки зварювання,

2. збоку від точки зварювання

3. у точці зварювання.

Плавлення і перенесення електродного металу при дуговому зварюванні

виявляють вплив на металургійні процеси у зварювальній ванні, і динамічні

характеристики електричних параметрів зварювальної дуги, значною мірою

визначають технологічні можливості процесу, його стабільність і стійкість. На

краплю, яка знаходиться на торці електрода, діють гравітаційні та

електромагнітні сили, поверхневий натяг, реактивний тиск металу, що

випаровується, і тиск плазми дуги. Керування переносом електродного металу

здійснюють шляхом зниження сил поверхового натягу (металургійними методами

або застосуванням газових сумішей) та шляхом керування електромагнітними

силами (застосування імпульсного чи модульованого струму).

Керування кінетикою кристалізації металу зварного шва здійснюють

докладаючи до зварювальної ванни зовнішні дії, що змінюють газокінетичний

тиск дуги або створюють пандеромоторні сили в розплаві ванни.