4.2.4 Системы непрямого действия с бесконтактными датчиками

Функциональные схемы следящих систем. Большие технологи­ческие возможности имеют следящие системы непрямого действия с бесконтактными датчиками различного физического принципа действия.

4.2.4.1 Следящие системы с электромагнитными датчиками.

Такие сис­темы наиболее распространены. 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; для определения положения начала и конца свариваемого изделия или прихваток.

Выбирая разные положения датчиков относительно поверхно­стей свариваемых элементов, можно использовать эти датчики при сварке разных соединений (рисунок 4.34).

Рисунок 4.34 – Типы и конструкции соединений а — угловое (изнутри); б — тавровое с одной узкой полкой; в — стыковое (при точных размерах свариваемых элементов); г — стыковое с узким глубоким зазо­ром; д — стыковое с разделкой кромок; 1 — ось сварочного электрода; 2 — датчик

Простейший электромагнитный датчик состоит из Ш-образной магнитной системы и трех обмоток (рисунок 4.35, а). 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 (рисунок 4.35, б). Результирующее магнитное поле датчика создается не только током, протекающим в обмотке 2, но и вих­ревыми токами.

При симметричном относительно датчика расположении зазо­ра контуры вихревых токов равны, симметричны и I₁=I₂. Соот­ветственно равны магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ и наводимые ими ЭДС в измерительных обмотках 1 и 3. При встречном включении обмоток 1 и 3 наводимые в них ЭДС компенсируются, и сигнал на выходе датчика равен нулю.

а — схема датчика; б, в — симметричное и несимметричное расположение вих­ревых токов относительно стыка; 1, 3 — измерительные обмотки; 2 — обмотка возбуждения; Ф₁, Ф₂ — магнитные потоки; I₁, I₂ — вихревые токи; Ε — ЭДС

Рисунок 4.35 – Принцип работы электромагнитного датчика

При несимметричном расположении датчика относительно сты­ка (рисунок 4.35, в) контуры вихревых токов оказываются различны­ми токи I₁ и Ι₂. Это приводит к нарушению равенства магнитных потоков Ф₁ и Ф₂ 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 2. При изменении направления отклонения на противопо­ложное фазовый сдвиг ЭДС изменяется на 180°.

Электромагнитные датчики наиболее широко применяют для определения положения стыка при сварке стыковых соединений без разделки кромок.

На выходной сигнал датчика влияют координаты стыка; от­клонения геометрических параметров соединения, подготовлен­ного под сварку; качество подготовки заготовок; различия элект­рических и магнитных свойств материала заготовок, вызванные изменениями химического состава и условиями предварительной механической обработки; характеристики окружающей сре­ды и процесса.

При сварке стыковых швов значительное влияние на выход­ной сигнал датчика оказывает взаимное превышение кромок. Чтобы уменьшить погрешность датчика, возникающую при пре­вышении кромок, используют различные схемные и конструк­тивные способы компенсации. Один из них основан на различии фазы сигнала, получаемого от датчика, если он смещен относи­тельно стыка при отсутствии или при наличии превышения кро­мок. Для компенсации превышений фаза опорного сигнала, пода­ваемого на фазовый детектор, подбирается так, чтобы она отли­чалась на 90° от составляющей фазы выходного сигнала датчика, вызванной превышением кромок. При этом выходной сигнал дат­чика практически не зависит от величины превышения кромок.

В последние годы появляются системы со сканирующими элек­тромагнитными датчиками, которые (в сочетании с обработкой сигнала датчика средствами вычислительной техники) позволя­ют расширить возможности электромагнитного метода измерения.

Частота напряжения питания обмотки возбуждения электро­магнитных датчиков может быть от одного до нескольких десят­ков килогерц. Это позволяет свести к минимуму влияние на вы­ходной сигнал (датчика) электромагнитных полей промышлен­ной частоты и сделать датчики работоспособными на магнитных и немагнитных материалах.

Для реализации задач геометрической и технологической адап­тации сварочных автоматов и роботов наряду с решением задачи ориентации сварочного инструмента на стык необходимо также получать информацию о геометрических параметрах стыка. Решить эти задачи позволяет дифференциальный электромагнитный дат­чик, состоящий из двух параллельно расположенных стерж­невых прямоугольных ферритовых сердечников 1 (рисунок 4.36). На концах сердечников намотаны по одной секции генераторных ка­тушек 2, последовательно встречно подключенных к генератору синусоидального высокочастотного напряжения U_on. Создаваемый ими переменный магнитный поток в магнитопроводах имеет про­тивоположное направление. Индикаторные катушки 4 и 5 закреп­лены соосно между полюсами магнитопровода, расположенными над свариваемым стыком. На нижних концах ферритового сердеч­ника намотаны две другие индикаторные катушки 3 и 6. Ось датчика располагается перпендикулярно плоскости стыка, образо­ванного деталями.

1 — сердечник; 2 — генераторная (возбуждающая) катушка; 3—6 — индикатор­ные катушки; 7 — разновысокие кромки; а — расстояние между кромками; h — расстояние от датчика до стыка; Δχ — смещение стыка относительно оси датчи­ка; ДА — превышение кромок; U_on — опорное напряжение; U₁ — U₆ — напряже­ние на катушках

Рисунок 4.36 – Схема электромагнитного дифференциального датчика поло­жения свариваемого стыка

При отсутствии изделия создаваемый катушкой 2 магнитный поток замыкается через воздушный зазор у полюсов магнитопроводов, образуя замкнутый контур. Разностные сигналы ЭДС индикаторных катушек 4, 5 и 3, 6 равны нулю. Магнитный поток в датчике можно разделить на два зависящих один от другого потока: основной поток, который замыкается по полному кон­туру между торцами магнитопроводов, и поток рассеяния, кото­рый сосредоточен в основном между внутренними гранями у по­люсов. При введении изделия со стыком под датчик основной поток с торца входит в металл и вызывает в нем появление вих­ревых потоков, которые создают противодействующий (размаг­ничивающий) магнитный поток. Таким образом, основной по­ток с торцов магнитопроводов — это обратная функция размаг­ничивающего потока вихревых потоков, а поток рассеяния с внутренних граней — прямая функция. Если ось датчика распо­ложена в плоскости стыка, то дифференциальные сигналы ин­дикаторных катушек 4, 5 и 3, 6 равны нулю. Смещение стыка Δχ от плоскости симметрии датчика приводит к перераспределе­нию размагничивающего действия пластин под полюсами магнитопроводов и, следовательно, изменяется основной поток рассеяния (изменения их разнополярные). Поток магнитопровода, в сторону которого наблюдается смещение стыка, будет испы­тывать большее размагничивание в силу большей концентрации вихревых потоков под ним. Появятся разностные сигналы на индикаторных катушках 4, 5 и 3, 6.