2.5.4. Автоматизация управления положением сварочной горелки при сварке и наплавке

По способу преобразования информации в сигнал, используемый для управления, следящие системы можно классифицировать по типам применяемых в них датчиков.

Различают следящие системы с датчиками: электромеханическими, фотоэлектрическими, телевизионными, электроразрядными, электромагнитными, фотопирометрическими, ультразвуковыми, пневматическими, радиационными и др.

По числу следящих движений системы можно разделить на однокоординатные и многокоординатные.

По типу регулятора, примененного в системе автоматики, следующие системы разделяются на две группы: системы с регуляторами прямого действия и системы с регуляторами непрямого действия.

Следящие системы (устройства) с регуляторами прямого действия. Они наиболее простые, измерение неотделимо от управления. Сварочная головка или горелка имеет одну или несколько свободных (не приводных) подвижностей и связана непосредственно со щупом, выполненным в виде ролика или неподвижного копирного пальца. Щуп постоянно прижат к поверхностям разделки кромок стыка или другим поверхностям свариваемых элементов под действием пружин или сил тяжести. При одном щупе-ролике возможно направление горелки по разделке стыка без прихваток.

Следящие системы с регуляторами непрямого действия. Этим системам присуще разнообразие способов преобразования информации, полученной от датчика, в сигнал, используемый для управления положением сварочной горелки. Среди таких систем большую группу образуют следящие системы с электромеханическими датчиками. Основная особенность электромеханических датчиков - наличие в них копирующего элемента-щупа, который под действием пружин или сил тяжести находится в контакте с копируемыми поверхностями или кромками изделия. Точка копирования может находиться перед точкой сварки или сбоку от нее.

Следящие системы с фотоэлектрическими датчиками. Датчики этих систем можно отнести к группе так называемых видеосенсоров. Сигнал управления возникает при смещении датчика относительно контрастной линии, границ отражающих или излучающих поверхностей и экранирующих элементов.

Для отсчета при измерении положения стыка используются:

1) линия этого стыка, контрастная относительно поверхности свариваемого металла, либо специальная, контрастная копирная линия (полоса), нанесенная на поверхности изделия при постоянном расстоянии от линии стыка;

2)граница «черное - белое» на копирной ленте, наклеиваемой на изделие;

3) линия, разделяющая поверхности изделия с разной отражательной способностью, например, при сварке, встык двух листов, поверхность одного из которых или зачищена до металлического блеска или окрашена;

4) использование для отсчета зазора или кромки изделия, подсвечиваемых со стороны, обратной расположению датчика.

В последнее время разрабатываются следящие системы, в которых измеряется положение разогретых кромок или зоны прогрева с обратной стороны соединения, излучающих поток в световом диапазоне. Разрабатываются фотоэлектрические системы, измеряющие фактическое положение электрода, контрастного относительно окружающего фона.

Следящие системы с телевизионными датчиками. Они относятся к наиболее современным и перспективным, создаются на базе прикладных (промышленных) телевизионных установок (ПТУ) замкнутого типа.

Для реализации телевизионного слежения так же, как и дистанционного наблюдения, необходимо, чтобы наблюдаемая часть объекта содержала светоконтрастные элементы, подобные тем, которые применяются для фотоэлектрических систем. При использовании телевизионного слежения значительные трудности создаются световыми помехами, в частности, в виде светоконтрастных царапин, рисок, бликов и п.т., которые в реальных условиях могут появляться в поле зрения передающей камеры и быть причиной ложных сигналов, а также нестабильностью во времени освещенности наблюдаемых объектов, прежде всего, переменным световым излучением дуги (при сварке в защитных газах и без защиты дуги.)

Следящие системы с электромагнитными датчиками. Они наиболее распространенные. 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, а также для определения положения начала и конца свариваемого изделия или прихваток.

Рис. 2.12. Принцип действия электромагнитного датчика.

Простейший электромагнитный датчик (рис.2.12) состоит из Ш-образной магнитной системы и трех обмоток. 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. Результирующее магнитное поле датчика создается не только током, протекающем в обмотке 2, но и вихревыми токами.

При симметричном относительно датчика расположении зазора контуры вихревых токов равны, симметричны и I ₁ = I ₂ .Соответственно равны магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ и наводимые ими ЭДС в измерительных обмотках 1 и 2. При встречном включении ЭДС обмоток 1 и 2 компенсируются, и сигнал на выходе датчика равен нулю.

При несимметричном расположении датчика относительно стыка контуры вихревых токов оказываются различными, токи I₁ ≠ I₂. 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. При изменении направления отклонения на противоположное, фазовый сдвиг ЭДС изменяется на 180⁰ .