книги из ГПНТБ / Севбо П.И. Комплексная механизация и автоматизация сварочного производства

сопротивления катушки от ее расположения относительно стыка. Эта зависимость обусловлена различной магнитной проницаемостью и различным сопротивлением электрическому току воздуха и сва­ риваемого металла. Следовательно, датчик реагирует на смещение

Рис. 29. Следящая система с реостатными датчиками для сварки спиральношозных труб.

катушки относительно стыка с его воздушным зазором и несплош­ ностью металла.

Примером следящей системы с электромагнитным индукцион­ ным датчиком может служить система, разработанная в ИЭС им. Е. О. Патона [4] и примененная при сварке прямошовных сталь­ ных труб. Система снабжена трехкатушечным высокочастотным дат­ чиком, действие которого основано на использовании вихревых то­

140

ков и их способности проникновения в поверхностные слои металла (поверхностный эффект). Такой датчик при сдвиге его в сторону от стыка будет давать необходимую информацию в виде соответствую­ щего изменения индуктивности.

Выходной сигнал датчика после соответствующего усиления и преобразования поступает в блок управления корректором свароч­ ной головки. Коррекция положения головки осуществляется элект­ роприводом постоянного тока, управляемым с помощью электромашинного усилителя.

Промышленные испытания этой системы при сварке прямошов­ ных труб на скоростях сварки до 2,5 м/мин показали, что погреш­ ность слежения не превышает ± 2 мм (допустимая погрешность для данного шва ± 2,6 мм).

Подобные системы с высокочастотными индукционными датчи­ ками применимы не только для сварки стыков из ферромагнитных металлов (сталей и др.), но и немагнитных металлов (алюминиевых сплавов, латуни и т. д.).

В настоящее время разработано много других разновидностей электромагнитных следящих систем, однако большинство из них еще далеки от реализации и внедрения. Практическое их приме­ нение осложняется неизбежными конструктивными несовершенст­ вами свариваемого стыка, которые являются следствием неточности изготовления и сборки свариваемых деталей. Наиболее неблагопри­ ятно сказывается на работе следящей системы влияние таких фак­ торов, как превышение кромок, непостоянство характера (формы) разделки стыка по длине, переменность стыкового зазора и степени несплошности металла в стыке. Эти факторы не только нарушают нормальную работу устройств для автоматической стабилизации дуги и режима сварки, но и приводят к ложной отработке следящей системы направления дуги по шву, вследствие чего сварочная голов­ ка может сойти с оси стыка на недопустимую величину. Учет и ком­ пенсация превышения кромок и непостоянства разделки стыка яв­ ляется наиболее сложной частью задачи при разработке датчика.

В описанной следящей системе для уменьшения ее погрешности, возникающей из-за превышения кромок (депланации стыка), вве­ дено специальное устройство, разработанное Р. М. Широковским.

Следящие системы с фотоэлектрическими датчиками. В системах II группы, следящих не за самим стыком, а за вспомогательной ко­ пиркой линией, нанесенной на свариваемом изделии параллельно оси стыка, как правило, применяются фотоэлектрические датчики. В простейшем виде принцип действия этих датчиков заключается

141

светлого пятна небольшого размера. Положение этого пятна относи­ тельно копирной линии, контрастно отличающейся от окружаю­ щей поверхности (от светового фона), контролируется чувствитель­ ным фотоэлементом. Полученный сигнал с помощью соответствую­ щего усилителя-преобразователя превращается в управляющее воздействие, необходимое для перемещения сварочной головки или

еемундштука с помощью соответствующего привода. Фотоэлектрический метод слежения за копирной линией можно

осуществить в одном из трех вариантов.

В первом варианте датчик состоит из источника света, дающего два световых пятна (или одно, вытянутое поперек линии), двух фо­ тоэлементов, каждый из которых контролирует положение своего пятна относительно копирной линии, и усилителя-преобразователя. Датчик настраивается так, что при симметричном расположении обоих пятен относительно линии на выходе усилителя-преобразо­ вателя напряжение отсутствует, а при уходе линии из этого симмет­ ричного (равновесного) положения появляется выходное напряже­ ние, значение которого определяется величиной отклонения, а фаза

Во втором варианте датчик следит не за самой копирной линией, а за ее краем, т. е. за контрастной границей между «светом и тенью». Следовательно, ширина линии в этом случае не имеет значения и да­ же наоборот •— при большой ширине следящее устройство рабо­ тает надежнее. Как и в первом варианте, датчик имеет два фотоэле­ мента, хотя генерируется только один световой луч. Основной фотоэлемент улавливает световой поток, отраженный частично от ли­ нии, а частично от окружающего фона, так как фотоэлемент направ­ лен на световое пятно, часть которого расположена на линии, а часть — на фоне. Второй — вспомогательный — фотоэлемент контро­ лирует только фон. Это позволяет при соответствующей настройке исключить на выходе датчика постоянную составляющую, создава­ емую фоном, и выделить сигнал, порождаемый только линией.

В третьем, наиболее перспективном варианте используется метод сканирования, осуществляемого путем вращения светового пятна по круговой орбите, дважды пересекающей копирную линию за один оборот или с помощью колеблющейся заслонки с узкой щелью.

При точном расположении датчика над линией, что соответству­ ет и точному положению сварочной головки над стыком, промежутки времени между очередными пересечениями линии будут равны, и следящая система будет сбалансирована. Если жекопирная линия, а следовательно, и стык сместятся в ту или иную сторону, то один

142

интервал времени увеличится, а другой—уменьшится; симметрия ко­ лебаний, а следовательно, и равновесие системы нарушится. В ре­ зультате на выходе усилителя следящей системы появится напря­ жение такого знака, которое заставит исполнительный электродви­ гатель перемещать датчик и связанную с ним головку в нужную сторону до восстановления симметрии колебаний, т. е. до совмещения со стыком сварного соединения.

Преимуществом этого варианта является то, что нестабильность параметров фотоэлемента и других элементов схемы несущественно влияет на работу следящей системы. Целесообразность применения фотоэлектрических датчиков со сканированием обусловлена также тем, что в выходном сигнале датчика содержится информация не только о положении его относительно копирной линии, но и о каче­ стве ее выполнения. При полном исчезновении копирной линищ например, на конечном участке шва, система не смещает датчик с того положения, которое он занимал в момент исчезновения копир­ ной линии. Эти качества отсутствуют у датчиков, построенных по дифференциальной схеме. Третий вариант по сравнению с другими заслуживает особого внимания, так как используемый в нем импульс­ ный метод в отличие от амплитудного имеет более высокую по­ мехоустойчивость.

На основе применения фотоэлектрического датчика со сканиро­ ванием в ИЭС разработана следящая система У-351. Она состоит из датчика, электронного усилителя, электромашинного усилителя и исполнительного электропривода, воздействующего на корректор сварочной головки. Для улучшения динамических характеристик системы в ней может быть применена обратная связь по скорости.

В результате промышленных испытаний установлено, что при сварке стыковых соединений на скорости 2 м/мин погрешность направления дуги по шву не превышает ± 1,5 мм, при допустимой величине смещения ± 2 мм.

Существенным недостатком всех следящих систем с фотоэлектри­ ческими датчиками, контролирующими копирную линию, а не сам стык, является необходимость дополнительной операции по нанесе­ нию этой контрастной линии на поверхность изделия. Причем эта технологическая операция должна быть выполнена с большой точ­ ностью, так как любая неточность в нанесении линии (в ее непарал­ лельности стыку) суммируется с погрешностями самой следящей системы.

Наиболее распространенными способами нанесения копирной линии являются: снятие наружного слоя металла с поверхности сва­ риваемого изделия до металлического блеска (резцом, фрезой или абразивным камнем); нанесение других веществ или красок на по­ верхность изделия.

143

Несмотря на трудоемкость этой операции, во многих случаях это окупается тем, что система направления электрода независима от качества подготовки и сборки стыка (депланации кромок, перемен­ ного зазора в стыке, несовершенств в разделке шва и т. д.), а также от расстояния между датчиком и сварочной дугой. Однако во мно­ гих случаях нанесение копирной линии невозможно или недопус­ тимо (особенно резцом).

«Запоминающие» следящие системы. Поиски более универсаль­ ного и экономичного варианта привели к созданию следящих систем третьей группы. Эти системы снабжены датчиками, контролирую­ щими стык впереди дуги, как и описанные следящие системы с ин­ дукционными датчиками, но в отличие от них имеют устройства, задерживающие отработку сигнала на время прохождения свароч­ ной головкой пути, равного расстоянию между электродом и датчи­ ком. Таким образом, погрешность слежения, вызываемая обычно дистанционным расположением датчика впереди дуги, в этих си­ стемах отсутствует. Задержка сигнала, или, точнее, задержка исполнения приказа датчика, осуществляется методом автоматиче­ ского запоминания (записи информации от датчика) и последую­ щей выдачи ее методом считывания. Для выполнения этих опе­ раций система снабжена специальными электромагнитными устрой­ ствами записи и последующего считывания через определенный, заранее заданный интервал времени, определяемый скоростью свар­ ки и расстоянием между электродом и датчиком.

Всистемах цифрового программного управления, разработанных

вИЭС им. Е. О. Патона, запись информации о поперечных откло­

нениях датчика от стыка производится на синхронно движущемся со сварочной головкой программоносителе, в частности, на маг­ нитной ленте. Эта запись является кинематической программой движения, которая реализуется через время / после подачи сигна­ ла. В процессе воспроизведения при сварке информация считывает­ ся с магнитной ленты и после соответствующего усиления посту­ пает на коммутатор или иной аппарат, который вырабатывает команды, необходимые для работы шагового или иного двигателя корректора сварочной головки.

Характерная особенность этой системы, выгодно отличающая ее от обычных программных устройств с жесткой программой, заклю­ чается в том, что записанная на магнитной ленте программа явля­ ется строго индивидуальной для данного шва со всеми присущими ему неточностями. В обычных «жестких» программных устройствах программа движения заранее определена как унифицированная для всех швов данного типоразмера, т. е. без учета индивидуальных не­ совершенств и неточностей каждого из них (без обратных связей).

Следует отметить, что в тех и других программных устройствах

144

не учитывается влияние сварочных деформаций, которые в отдель­ ных случаях могут вносить существенную погрешность в направле­ ние дуги по шву.

Систему третьей группы (с предварительным запоминанием кри­ визны стыка) можно рассматривать как состоящую из двух следящих систем, одна из которых предназначена для направления датчика по стыку и выработки программы, а другая, работающая по про­ грамме, хранящейся в устройстве памяти,— для направления сва­ рочной головки по стыку. Погрешность положения электрода отно­ сительно оси стыка в этом устройстве определяется погрешностью записи и считывания в устройстве памяти и погрешностями обеих следящих систем — программирующей и отрабатывающей.

Вторым недостатком этих систем является их функциональная и структурная сложность, обусловленная необходимостью много­ ступенчатой переработки информации, поступающей от датчика.

Наконец, третий недостаток заключается в том, что начальный участок шва на длине, равной расстоянию между электродом и дат­ чиком, сваривается без автоматического направления и, следова­ тельно, не свободен от обычных погрешностей, вносимых дистан­ ционным расположением датчика впереди дуги.

Основное преимущество рассматриваемых следящих систем за­ ключается в том, что они не нуждаются во вспомогательной копирной линии и в то же время исключают погрешности, вносимые дистан­ ционным расположением датчика, на всем протяжении шва, кроме начального участка.

При сварке многослойных швов или при выполнении некоторых наплавочных работ, требующих многократного повторения электро­ дом одного и того же маршрута, возможно и целесообразно приме­ нение упрощенных систем цифрового программного управления, основанных на том же принципе предварительного запоминания траектории (записи кинематической программы движения) и после­ дующего многократного ее повторения. В этих системах программа записывается на магнитной ленте или ином быстросменном програм­ моносителе полностью для всего шва при первой — холостой—про­ ходке сварочной головки (без дуги); при этом точное направление электрода по линии будущего шва производится с помощью кор­ ректора с ручным управлением. В дальнейшем при сварке движе­ ние сварочной головки осуществляется по записанной программе без всяких обратных связей и повторяется столько раз, сколько слоев нужно наплавить по данной траектории или линии, ей па­ раллельной. Способы записи и считывания программы аналогичны рассмотренным выше.

Недостатками этой системы являются ограниченная область ее рационального применения (многослойные криволинейные швы и

145

некоторые виды наплавочных работ), а также необходимость хо­ лостого пробега головки, снижающая производительность процесса и крайне затрудняющая комплексную механизацию и автоматизацию.

При сварке однопроходных швов применение этой системы, как правило, нецелесообразно. Исключение могут составить лишь те слу­ чаи, когда сварку необходимо вести на высоких скоростях, не поз­ воляющих осуществлять ручную коррекцию направления электрода по шву в процессе сварки.

Телевизионные следящие системы. В последнее время успешно разрабатываются телевизионные следящие системы, контролирую­ щие положение сварочной дуги относительно стыка непосредствен­ но в зоне сварки [6]. В настоящее время эти системы являются пока единственными, которые контролируют и корректируют положение именно дуги, а не сварочной головки или ее мундштука, и притом в самой зоне сварки.

Это качество позволяет исключить ряд погрешностей, порож­ даемых неточностью и нестабильностью взаимного расположения дуги относительно сварочной головки и ее электродного мундштука,

атакже относительно датчика.

Вэтих системах отсутствуют сложные устройства запоминания, записи и последующего считывания информации от датчика. Одна­ ко это упрощение осуществлено за счет введения не менее сложных телевизионных устройств.

Первоначально внедрение телевизионных устройств в свароч­ ное производство было обусловлено необходимостью дистанцион­ ного визуального наблюдения за процессом сварки в тех случаях, когда присутствие оператора у сварочной головки невозможно или недопустимо по условиям техники безопасности, например в радио­ активных зонах. В дальнейшем Я- С. Вайсбанд, А. Б. Войцеховский и др. [6] расширили область промышленного применения телеви­ зионных систем с целью их использования для автоматического направления дуги или электрода по стыку при сварке открытой (видимой) дугой, в частности, при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом.

Телевизионная следящая система, в которой в качестве датчика используется передающая телевизионная камера, отличается от описанных выше систем как принципом выделения и обработки ин­ формации о положении электрода относительно стыка, так и неко­ торыми своими новыми возможностями.

Система состоит из: телевизионной установки замкнутого типа, содержащей передающую камеру-датчик, видеоконтрольное устрой­ ство и кабель; блока обработки сигнала и исполнительного при­ вода перемещения электрода относительно стыка. Передающая ка­ мера закрепляется на сварочном аппарате или его мундштуке так,

146

чтобы в ее поле зрения попадали конец электрода, дуга, сварочная ванна, участок стыка перед дугой и некоторая часть поверхности металла вокруг зоны сварки. Такое расположение передающей ка­ меры и наличие в следящей системе видеоконтрольного устройства позволяет осуществлять одновременно не только автоматическое направление электрода, но и дистанционное визуальное наблюде­ ние за процессом сварки.

Принцип действия телевизионной следящей системы основан на

положении и о величине смещения электрода от оси стыка, т. е. о некоторой разнице между номинальным (нулевым) и фактическим состоянием. Эта разница (рассогласование) преобразуется затем в разностное напряжение, которое является управляющим сигналом для работы электропривода перемещения электрода относительно стыка (корректора).

Испытания опытного образца телевизионной следящей системы в ЦНИИТС показали, что она обеспечивает автоматическое направле­ ние электрода по шву с точностью ± 0 ,7 мм при однопроходной свар­ ке прямолинейных и криволинейных стыков на скоростях до

0,7 м/мин.

Эта система может осуществлять слежение и по стыку с прихват­ ками длиной 30—50 мм. При этом во время прохождения электрода над прихваткой следящая система автоматически отключается, а электрод движется параллельно направляющим сварочной каретки. В тот момент, когда электрод оказывается над концом прихватки, система автоматически включается в режим слежения.

Если снабдить телевизионную следящую систему соответствую­ щими дополнительными блоками, то можно несколько расширить ее возможности и сделать более универсальной. В частности, можно получить возможность слежения как за одной, так и за обеими кром­ ками одновременно, за вспомогательной копирной линией, нанесен­ ной вблизи шва, и т. д. Однако основное ограничение ее области при­ менения все же остается: слежение возможно только при сварке от­ крытой (видимой) дугой. Следовательно, для сварки под флюсом телевизионные системы непригодны.

Телевизионную систему все же можно применять в тех случаях, когда дуга невидима, но при этом придется контролировать не по­ ложение дуги или электрода непосредственно, а положение свя­ занного с электродным мундштуком светового указателя относитель­ но линии стыка. При таком способе слежения телевизионная следящая система теряет свое главное преимущество, которое заклю­ чается в отсутствии погрешностей, вносимых дистанционным распо­ ложением датчика или указателя впереди дуги.

147

Системы жесткого программного управления движением. Для автоматического направления электрода по стыку в некоторых слу­ чаях, например при сварке точно изготовленных деталей, вполне возможно и целесообразно применение программных устройств с жесткой кинематической программой, не имеющей обратных связей и не учитывающей индивидуальных неточностей изготовления и сборки свариваемых деталей. Следовательно, эти устройства в от­ личие от рассмотренных выше следящих систем не осуществляют коррекцию движения электрода по стыку в процессе сварки, а также слежения по стыку.

Механические копиры прямого действия. Простейшим, элемен­ тарным представителем этих программных устройств может служить направляющий рельсовый путь для сварочной каретки — прямо­ линейный или криволинейный (в зависимости от конфигурации шва или заданной траектории движения). По сути такой копирный рельс, как и любая копирная линейка, представляет собой програм­ му движения электрода. Для той же цели иногда применяются про­ филированные копирные шаблоны, кулачки, диски, которые можно объединить под общим названием механических копиров прямого действия, например для сварки фигурного шва канистр.

Хотя область применения этих простейших программных уст­ ройств (механических копиров прямого действия) сильно ограниче­ на требованиями точности свариваемых деталей и их сборки, а так­ же требованием серийности продукции (для единичного производ­ ства изготовление сложных копирных шаблонов нецелесообразно), тем не менее благодаря своей предельной простоте и надежности в эксплуатации эти системы получили весьма большое распростра­ нение в сварочном производстве.

Электромеханические командоаппараты. В более сложных слу­ чаях простейшие механические копиры прямого действия применить не удается. В этих случаях программное устройство может быть осу­ ществлено в виде электромеханического командоаппарата, снабжен­ ного системой профилированных по заданной программе кулачков и дисков, управляющих через контактно-релейную систему работой соответствующих электроприводов, перемещающих сварочную го­ ловку. Ротор командоаппарата вращается синхронно с приводом движения сварочной дуги и в большинстве случаев жестко связан с ним.

Классическим образцом такого программного устройства может служить командоаппарат станка для наплавки пильгервалков, имеющих сложную пространственную кривизну наплавляемой ра­ бочей поверхности. Этот командоаппарат управляет перемещением сварочной головки в пространстве по трем взаимно перпендикуляр­ ным суппортам в строгом соответствии с работой механизмов вра-

148

шения и наклона валка. Описание этой программной системы при­ ведено в § 16.

Системы числового программного управления. В настоящее вре­ мя в машиностроении особое внимание уделяется системам числового программного управления движением. Однако в связи с относитель­ ной сложностью этих систем они до последнего времени приме­ нялись лишь для точной обработки металлов; в сварочной же техни­ ке они не получили распространения из-за своей сложности и резко­ го несоответствия классу точности производства.

Впоследние годы В. А. Тимченко [41] и другие доказали воз­ можность и целесообразность использования упрощенных систем числового программного управления применительно к электродуго­ вой и электроннолучевой сварке. Так как к сварочному движению не предъявляются такие высокие требования точности, как при ме­ ханической обработке металлов, то для сварки представляется воз­ можным применить сравнительно простую импульсно-шаговую си­ стему программного управления с большой величиной шага.

Всравнении с другими системами цифрового программного управления эта система по своей структуре наименее сложна, позво­

ляет получить устойчивые движения простыми средствами и требу­ ет программы в наиболее простом виде.

Обычные методы подготовки программы для систем числового программного управления движением основаны на применении ин­ терполяторов (кодовых преобразователей), которые являются са­ мой сложной и дорогой частью системы. При переработке малых объемов информации применение этой сложной вычислительной тех­ ники нецелесообразно. Движение сварочной дуги может быть зада­ но программой с небольшим объемом информации, что позволяет резко упростить методы ее подготовки и исключить из системы слож­ ные интерполяторы

Предложенный В. А. Тимченко [41] метод подготовки программы для импульсных систем числового программного управления за­ ключается в том, что аппроксимация заданной траектории произво­ дится с помощью сравнительно небольшого комплекта «стандартных» отрезков, интерполированные программы которых в унитарном коде (подпрограммы) постоянно хранятся в памяти устройства, нано­ сящего программу на программоноситель (на перфорированную или магнитную ленту), а собственно нанесение интерполированной про­ граммы на программоноситель производится путем автоматического переноса готовых подпрограмм из памяти. При этом необходимость в интерполяторе отпадает.

На практике для подготовки программы движения достаточ­ но графически определить координаты опорных точек по вычерчен­ ной в увеличенном масштабе траектории с таким расчетом, чтобы

149