МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»
Институт машиностроения
________________________________________________________________
Кобецкой Н.Г.
АВТОМАТИЗАЦИЯ СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ
Конспект лекций
Санкт-Петербург 2013
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И СВЕДЕНИЯ АВТОМАТИКИ
Автоматика – техническая наука, разрабатывающая принципы построения автоматических систем и необходимых для них автоматических средств, методы анализа и синтеза этих систем.
В последние годы сварку все более используют в различных областях машиностроения. Разрабатывают новые и совершенствуют известные методы сварки, расширяют перечень свариваемых материалов, номенклатуру изготавливаемых с помощью сварки изделий. В условиях производства без широкого применения автоматики, теории и техники автоматического регулирования невозможно получить сварные соединения высокого качества. Особое значение автоматизация сварки имеет в атомной, энергетической, судостроительной, химической промышленности, в ракетной технике, где всегда важно получать сварные соединения высокого качества.
Цель настоящего курса состоит не в том, чтобы научить будущего инженера сварщика конструировать и рассчитывать системы автоматического регулирования — это задача специалистов по автоматике, а ориентировать его в возможностях и принципах автоматики, в распространенных методах исследования и расчета систем автоматизации, применяемых в сварочном производстве, помочь ему научиться ставить и решать задачи совершенствования производственных процессов, подготовить к грамотной эксплуатации конкретных автоматических устройств. Инженер — сварщик должен уметь самостоятельно разрабатывать технические задания на проектирование автоматических устройств, систем управления, в том числе и выполняемых на базе ЭВМ.
Разработкой способов сварки и автоматического оборудования успешно занимались и занимаются ИЭС им. Е.О.Патона, Секция электросварки и электротермии АН СССР, ЦНИИТмаш, МВТУ, РИСХМ, ЛПИ, ВНИИСТ, ВНИИЭСО, ВНИИАвтогенмаш, лаборатории ряда крупных заводов (ЗИЛ, Уралмаш, ГАЗ, «Электрик») и вузов.
Основы практического применения сварки разработал и заложил Е.О.Патон. Открытие В.И.Дятловым явления саморегулирования дуги (1942г.) позволило создать и широко использовать простые и надежные сварочные установки с постоянной скоростью подачи электрода. Разработкой этого оборудования занимались И.Я.Рабинович, Б.Е.Патон, В.К.Лебедев, Г.М.Каспржак. В 50г. Б.Е.Патоном и др. начаты работы по изучению свойств различных систем автоматического регулирования дуговой сварки под флюсом. К.К.Хренов впервые применил теорию автоматического регулирования к анализу процессов регулирования дуговой сварки.
Большое влияние на развитие и широкое применение анализа и расчета статических и динамических режимов сварочных процессов методами теории автоматического регулирования, на становление основ автоматизации дуговой сварки оказали работы, которые выполняли И.Я.Рабинович, Г.М.Каспржак, Л.Е.Алекин, В.М.Щитова.
Весьма заметный вклад внесли: Ф.А.Аксельрод, Б.Д.Орлов, А.С.Гельман, В.К.Лебедев, П.Л.Чулошников, Н.В.Подола — в управление и контроль контактной сварки, Б.Е.Патон, В.К.Лебедев, А.И.Чвертко, В.А. Тимченко, Э.М.Эсибян — в разработку оборудования для электродуговой и электрошлаковой сварки и наплавки, Г.А.Спыну, Ф.А.Кисилевский, В.А.Тимченко, О.К. Назаренко — в построение систем числового программного управления дуговой электронно-лучевой сваркой, Б.Е.Патон, Г.А.Спыну — в разработку промышленных роботов для дуговой сварки.
Разработка систем пространственной ориентации электрода при сварке изделий с криволинейным стыком в горизонтальной и вертикальной плоскостях была проведена В.Ф. Трефиловым, Э.А. Гладковым, Я.Б.Ландо. Телевизионные системы для автоматической коррекции положения сварочной ванны относительно свариваемого стыка были разработаны М.Л.Лифшицем, Д.Д.Никифоровым и др.
Новый методологический подход к анализу процессов в сварочном контуре как единой электрогидродинамической системе «источник-дуга-сварочная ванна», в которой ванна рассматривается в качестве непосредственного объекта регулирования, предложил в 1976г. Э.А.Гладков.
В настоящее время раздел науки «Автоматизация сварочных процессов» интенсивно развивается. Создаются АСУ многопараметровым контролем сварочных установок, АСУ ТП сварки, а также информационные системы для сборочно-сварочного цеха как под системы будущих автоматизированных систем оперативного управления сборочно-сварочного производства.
Основные термины и определения.
Рассмотрим некоторые основные понятия автоматики. К таким понятиям следует отнести: управляемый объект, автоматическое управляющее устройство, автоматическую систему, воздействие, сигнал, обратную связь и др.
Управляемый объект – это совокупность технических средств (машин, аппаратов, устройств), которая нуждается в оказании специально организованных воздействий извне для достижения цели управления.
Управлением в технических системах называется преднамеренное воздействие на управляемый объект, обеспечивающее достижение определенных целей.
Автоматическим управлением называется управление, осуществляемое без непосредственного участия человека.
Автоматическим управляющим устройством называется устройство, осуществляющее воздействие на управляемый объект в соответствии с заложенным в нем законом управления. В наиболее простых случаях автоматическое управляющее устройство называют регулятором.
Автоматической системой (системой автоматического управления, или системой автоматического регулирования) называют совокупность управляемого объекта и управляющего устройства, взаимодействующих между собой в соответствии с законом (алгоритмом) управления. Задаваемое на входе требуемое значение регулируемой величины называется задающим воздействием системы.
Воздействием в автоматике принято называть взаимодействие между автоматической системой (а также между ее частями) и внешней средой. Воздействия передаются посредством физических величин (напряжения, тока, давления воздуха, угла поворота вала и др.) называемых несущими величинами.
Сигнал – обусловленное (заранее договоренное) состояние или изменения состояния представляющего параметра, отображающего информацию, которая содержится в воздействии, Обычно сигнал выражается некоторой математической функцией, например Хвх (t), U(t), Хвых(t) , однозначно отображающей изменения во времени параметра.
Решение задач автоматики следует начинать с детального изучения управляемого объекта или объекта регулирования. Режим работы, состояние объекта характеризуются совокупностью физических показателей (параметров) и определяются текущими внутренними процессами, на характер которых влияют внешние воздействия. Их называют входными переменными (функциями, сигналами), а точки их приложения – входами (рис.1.1). В автоматической системе часть входных воздействий дает информацию о задачах управления. Такие воздействия называют задающими (управляющими) воздействиями gK(t). Они либо вырабатываются управляющим устройством, либо задаются человеком.
Другие воздействия на объект, не связанные с задачами и результатами управления, называют возмущениями fn(t). Возмущающие воздействия могут быть приложены в различных точках объекта. Собственно из-за наличия возмущений и возникает необходимость регулирования.
Входные (управляющие и возмущающие) воздействия вызывают изменение всех или части выходных (регулируемых) величин y1(t),…,yl(t) и координат состояния x1(t),…,xm(t) системы.
Если объект имеет всего одну управляющую и одну управляемую величину, то его относят к одномерным. При наличии нескольких выходных величин объект называют многомерным.
Знание общих свойств объекта необходимо для выбора принципиальной схемы регулирования, технических средств измерения контролируемых и регулируемых величин, элементов системы регулирования и настроек.
Для решения этой задачи необходимо формализовать описание объекта управления, так как только тогда можно привлечь мощный аппарат технической кибернетики. Такая формализация осуществляется представлением объекта (например, сварочного процесса) в виде его математической модели, описывающей только те особенности процесса, которые существенны для его управления, а также ограничения, обусловленные технологическими и другими причинами. Цель моделирования – установление математической зависимости между показателем качества (yl), параметрами (xm) процесса и входными воздействиями (рис. 1.1).
Y = Y(G,F,X).
Рис.1.1. Схема многомерного объекта управления: g1(t),…,gK(t) – задающие воздействия; f1(t),…,fn(t) – возмущения; x1(t),…,xm(t) – координаты состояния объекта; y1(t),…,yl(t) – выходные величины.
Математические модели можно получить с использованием двух основных методов.
Сущность первого метода заключается в установлении связей между входными и выходными параметрами на основании существующих физических закономерностей процесса. Модели могут быть статическими и динамическими. Статические не учитывают временные процессы. Наиболее полными и сложными являются динамические модели, отражающие особенности поведения объекта во времени. Как правило, такие модели представляют собой дифференциальные уравнения в частных производных.
Сущность второго метода получения математических моделей заключается в установлении связей между входными и выходными параметрами на основании экспериментально-статистических методов, позволяющих получить модель в виде уравнений регрессии, описывающих корреляционную зависимость между этими параметрами, являющимися случайными величинами. Для количественной оценки величины связи используется метод регрессионного анализа.