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

отрезки прямых между соседними опорными точками состояли из комплекта «стандартных» отрезков. Интерполированные программы отработки этих «стандартных» отрезков (подпрограммы) заранее введены в «память» перфоратора при монтаже его электросхемы.

■Собственно программа наносится на перфоленту по стандартным подпрограммам, причем для очередной подпрограммы достаточно на пульте управления перфоратора набрать «адрес» соответствующего «стандартного» отрезка. Записанная на перфоленте информация вво­ дится затем в считывающее устройство системы программного управления движением сварочной головки.

Естественно, что такой сравнительно простой метод подготовки программ возможен и рационален только тогда, когда объем инфор­ мации сравнительно невелик, что и имеет место при сварочных и наплавочных работах.

Исполнительным органом системы является шаговый привод, состоящий из маломощного исполнительного шагового двигателя и гидравлического или иного усилителя крутящего момента. В ка­ честве источника шагового вращения, кроме электрического шаго­ вого двигателя, в рассмотренной системе могут быть использованы храповые, анкерные и другие шаговые механизмы с электромаг­ нитным и пневматическим приводом, а также гидравлические шаго­ вые двигатели с электро- и пневмоуправлеиием.

Рассмотренная импульсно-шаговая система числового программ­ ного управления впервые была применена в наплавочном станке У-61, разработанном в ИЭС им. Е. О. Патона и предназначенном для наплавки фасонных штампов со сложной конфигурацией на­ плавляемых кромок или поверхностей.

Станок работает по автоматическому циклу, записанному на пер­ фоленте. Для подготовки программы не требуется никаких счетных устройств и вычислительных машин.

Конец электрода может описывать любую заданную траекторию в любой из трех взаимно перпендикулярных плоскостей, раздельно или совместно. Кроме того, ось электрода может наклоняться вокруг точки наплавки в любом месте траектории на 30° к вертикали. Этот поворот, так же как и линейные перемещения, производится в со­ ответствии с записанной программой.

В заключение описания автоматического направления электро­ да по стыку целесообразно отметить, что большинство рассмотрен­ ных следящих систем с электромагнитными (индукционными), фо­ тоэлектрическими и телевизионными датчиками еще не получили широкого распространения в промышленности из-за своей сравни­ тельной сложности, а иногда и недостаточной стабильности действия. В связи с этим при разработке проекта комплексной автоматизации ■сварочного производства прежде, чем выбрать ту или иную систему

150

автоматического управления движением сварочной головки и, в частности, способ ее направления по шву, следует тщательно про­ анализировать возможности использования для этой цели простей­ ших механических копиров прямого действия, электромеханических командоаппаратов с жесткой программой движения, или таких механических устройств и приспособлений, при которых вообще отпадает необходимость в автоматизации и коррекции направления электрода.

Такие возможности в значительной мере определяются конструк­ цией сварочного станка и особенно его установочно-сборочных устройств, предназначенных для точной сборки и фиксации свари­ ваемого изделия относительно направляющего рельса, копирной ли­ нейки, шаблона и т. д. Еще в большей степени возможность приме­ нения простейших и в то же время надежных устройств направления электрода определяется точностью изготовления и сборки сваривае­ мых деталей. Оба эти фактора, влияющие на выбор системы авто­ матического направления электрода по шву, могут быть сравни­ тельно легко учтены в позитивном плане, если для комплексной, автоматизации производства применять комбинированные сбороч­ но-сварочные станки с расширенными функциями изготовления, (см. § 18, 19).

Автоматическое возбуждение сварочной дуги. Одной из задач автоматизации дугового сварочного процесса является возбуждение дуги в начале сварки. В обычных серийных аппаратах для автома­ тической сварки эта операция не автоматизирована. Лишь при сварке проволокой малого диаметра (до 2 мм), на высоких плотностях тока дуга возбуждается автоматически при сближении конца электрод­ ной проволоки с изделием. При этом конец электрода оплавляется током короткого замыкания, образуя таким образом необходимый дуговой промежуток.

Во всех остальных случаях для возбуждения дуги требуется пред­ варительное искусственное закорачивание электрода на изделие,, что обычно осуществляется вручную или с помощью кнопок управ­ ления приводом подачи проволоки, т. е. не автоматически. В этих случаях часто практикуется закорачивание через легкоплавящийся комок металлической стружки или через графитовый стержень.

Такой метод возбуждения дуги совершенно неприемлем при ком­ плексной автоматизации сварочного процесса. Поэтому в современ­ ных сварочных станках-автоматах для автоматического возбужде­ ния дуги предусматриваются специальные устройства с импульсны­ ми генераторами или осцилляторами, при помощи которых первона­ чальное возбуждение дуги производится высоковольтным разрядом.

При этом в электросхеме станка предусмотрено автоматическое отключение осциллятора в момент возбуждения дуги, что необхо­

151

димо ввиду возможности поражения человека током высокого на­ пряжения.

Существенным недостатком осцилляторов являются радиопо­ мехи, создаваемые при их работе, которые полностью невозможно устранить даже при наличии в электросхеме соответствующих фильт­ ров и экранирования. В этом отношении, а также по условиям тех­ ники безопасности предпочтительнее системы с генераторами им­ пульсов.

В отличие от осцилляторов генераторы импульсов подают на ду­ гу один кратковременный импульс повышенного напряжения (до 5 кв и выше). Принцип действия простейшего генератора импульсов основан на том, что электрическая емкость за конечный промежу­ ток времени заряжается до определенного напряжения, а затем разряжается на дуговой промежуток. Разрядный ток зависит от ряда факторов и может быть доведен до любого требуемого значения.

Общим недостатком всех этих устройств, особенно устройств с осцилляторами большой мощности, является некоторая их опас­ ность для обслуживающего персонала и аппаратуры вследствие наложения токов высокого напряжения и, следовательно, необхо­ димость в специальных защитных мерах, а также весьма услож­ ненная система изоляции в токоведущих и находящихся под напря­ жением конструкциях станка и сварочной аппаратуры.

Именно усложненная изоляция и специальные средства элект­ рической защиты являются наиболее уязвимыми элементами всей электросистемы, особенно в условиях загрязненной атмосферы сва­ рочного цеха (возможность пылевых перекрытий изоляции деталей, замасливания их поверхностей и т. д.). Система с осциллятором еще больше усложняется и теряет свою надежность при наличии пара­ зитных емкостей и индуктивностей, неизбежных в конструкциях автосварочной установки. В связи с этим в последнее время ведутся усиленные поиски более надежных систем и устройств для автомати­ ческого возбуждения дуги.

Один из новых, разработанных в ИЭС им. Е. О. Патона способов автоматического возбуждения дуги основан на электромеханическом принципе «поджигания», без наложения токов высокого напряжения. В нем используется так называемый «эффект спички». Этот способ разработан применительно к автоматической сварке под флюсом, где условия возбуждения дуги значительно хуже, чем при сварке открытой дугой. Следовательно, он вполне применим и для свар­ ки плавящимся электродом в среде защитных газов, например в СОа.

Сущность способа заключается в том, что конец электрода на вре­ мя возбуждения дуги приводится в состояние поперечной вибрации с необходимой частотой и амплитудой, а скорость подачи электрода

152

уменьшают на это время по сравнению с нормальной скоростью по­ дачи при сварке. При этом происходит свободное проникновение кон­ ца электрода через слой флюса к свариваемому изделию, разрушение шлаковой корки на конце электрода, зачистка свариваемого изделия и конца электрода и многократное соприкосновение электрода с из­ делием, способствующие надежному возбуждению сварочной дуги. После возбуждения дуги и появления в электроде сварочного тока скорость подачи электрода автоматически увеличивается до номи­ нальной, а вибратор отключается. Минимальная скорость подачи электродной проволоки во время возбуждения дуги должна быть не менее скорости, при которой дуговой процесс идет еще устойчиво.

Вибрация конца электрода осуществляется методом качаний электродного мундштука вокруг неподвижной горизонтальной оси. Привод для качания — вибратор — может быть любой конструкции. В первых устройствах (1970— 1971 гг.) вибратор прикреплялся к ка­ чающейся части мундштука и представлял собой малогабаритный электродвигатель постоянного тока с эксцентриком на валу. Вслед­ ствие дисбаланса эксцентрика электродвигатель во время работы вибрирует с частотой, пропорциональной скорости вращения его вала. Вместе с. электродвигателем вибрирует токоподводящий мунд­ штук и, следовательно, конец электрода.

Испытания этого устройства в лабораторных и производственных условиях подтвердили его надежность в эксплуатации. Дуга авто­ матически возбуждалась в 100 случаях из 100 контрольных попыток возбуждения. Испытания производились при сварке под флюсом проволокой диаметром 4 и 5 мм на токах до 1200 а, при напряжении сварки 42 в и напряжении холостого хода 73 в. При этом частота колебаний конца электрода была равна 40 гц и амплитуда — 2,5 мм. Скорость подачи электрода во время возбуждения дуги 2,7 м/мин (при 0 4 мм) и 1,7 м/мин (при 0 5 мм), номинальная скорость по­ дачи электрода при сварке соответственно 4,8 м/мин (при 0 4 мм)

и 2,6 лі/мин (при 0 5 мм).

Недостаток описанного способа и устройства заключается в не­ желательной вибронагрузке мундштука знакопеременными инер­ ционными силами и загромождении конструкции сварочного аппарата в зоне сварки. К конструкции мундштука и сварочной головки, кроме обычных требований жесткости и прочности, предъ­ является в этом случае еще требование вибростойкости.

Таким образом, ни один из описанных способов автоматического возбуждения дуги нельзя признать вполне совершенным. Поэтому поиски оптимальных и надежных решений этой задачи продолжают­ ся параллельно с совершенствованием и внедрением описанных устройств.

153

§ 11. АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ

Контактная сварка по сравнению с дуговой обладает существен­ ными преимуществами, значительно облегчающими задачу комплекс­ ной автоматизации сварочного производства. Первое из них заклю­ чается в возможности совмещения операций сборки и сварки в од­ ну комплексную сборочно-сварочную операцию. Для большинства видов контактной сварки такое совмещение операций является ес­ тественным результатом самого процесса сварки. В первую очередь это относится к стыковой сварке, при которой закрепление и фикса­

сварке вообще далеко не всегда удается добиться совмещения тех­ нологических операций и поэтому в большинстве случаев сборку приходится отделять от сварки. Наглядным примером может слу­ жить сварка кольцевых стыков труб. Если сравнить два способа сварки этих стыков (контактный и электродуговой), то в первом слу­ чае сборка и сварка стыка совмещаются в одну комплексную опера­ цию, а во втором — наоборот, сборка и сварка производятся отдель­ но и зачастую даже на разных рабочих местах и разными специалис­ тами. Такое различие в способах сборки-сварки отражается на степени автоматизации процесса и на его производительности.

Второе преимущество контактной сварки заключается в том, что она в противоположность электродуговой сварке дает возможность сравнительно легко осуществить полную автоматизацию всего сва­ рочного цикла. Именно с этой целью современные машины для кон­ тактной сварки снабжаются соответствующими регуляторами режи­ ма сварки и циклическими программными устройствами. При дуго­ вой сварке проблема полной автоматизации сварочного процесса во многих случаях все еще остается нерешенной. Достаточно на­ помнить о проблеме автоматического направления электрода по сты­ ку и задаче возбуждения дуги при малых плотностях тока.

При контактной сварке основная задача автоматизации сварочно­ го процесса заключается в регулировании параметров режима свар­ ки с целью их стабилизации или изменения по заданному закону. Такими параметрами являются: электрические параметры (свароч­ ный ток, напряжение, мощность); усилие сжатия электродов или свариваемых деталей (при стыковой сварке); время сварки; скорость сварки (при роликовой сварке) или скорость оплавления и осадки (при стыковой сварке). Эти параметры, являясь объектом автомати­ ческого управления и регулирования, в той или иной мере опреде­ ляют и саму систему управления.

В соответствии с классификацией, разработанной Б. Е. Патоном

154

иВ. К. Лебедевым [30], системы управления электрическими пара­ метрами сварочного процесса по принципу действия можно разде­ лить на четыре основные группы: системы жесткого управления; си­ стемы жесткого управления с автоматической компенсацией возму­ щений или с корректирующими связями; системы автоматического регулирования (по отклонению регулируемой величины), в том чис­ ле следящие системы; комбинированные системы жесткого управле­ ния с автоматической компенсацией и регулированием.

Системы жесткого управления. Системы жесткого управления не имеют никаких обратных связей и не реагируют на какие-либо возмущения, действующие на управляемый параметр сварочного процесса. Такими возмущениями могут быть колебания напряжения сети, изменение сопротивления сварочной цепи, изменение состоя­ ния рабочих поверхностей электродов и свариваемых деталей и пр.

Простейшие стабилизаторы тока и времени сварки. Большим пре­ имуществом систем жесткого управления является простота аппа­ ратуры и безынерционность их действия. Поэтому, несмотря на ука­ занные ранее технические несовершенства этих систем, они все же благодаря своей простоте и надежности в эксплуатации приобрели наиболее широкое применение в машинах для контактной сварки, особенно для точечной и роликовой. В этих машинах самой распро­ страненной является система жесткого управления, обеспечивающая заданное значение времени сварки и неизменяющееся во времени значение сварочного тока. На таком принципе построены прерыва­ тели типа ПИТ и ПИШ завода «Электрик», реле времени типа РВЭ, декатронные регуляторы времени типа РВД, разработанные в ИЭС им. Е. О. Патона и др. Благодаря четкой и надежной работе этих систем обеспечивается достаточно высокое качество сварных сое­ динений, если внешние возмущения сравнительно невелики.

Программные устройства. Простая стабилизация сварочного тока

ивремени его действия не всегда являются гарантией высокого качества и экономичности сварочного процесса (даже при отсут­ ствии внешних возмущений). Иногда выгодно изменять параметры режима в процессе сварки. Поэтому в ряде случаев с технологиче­ ской точки зрения желательно иметь возможность выбирать наибо­ лее выгодный (оптимальный) закон изменения параметров режима сварки. В этих случаях следует применять программные устройства, обеспечивающие любой заранее заданный закон изменения пара­ метра.

Вкомплексно механизированном производстве большое значение имеет стабильность повторяемости режима сварки, которая в значи­ тельной мере зависит от способов задания режима. В зависимости от способа задания системы жесткого программного управления можно разделить на две группы: задание режима при помощи различных

155

потенциометров, переключателей, кнопок и т. д. Такой способ прост и удобен в лабораторных и производственных условиях, но мало пригоден для комплексной автоматизации процесса; задание режи­ ма при помощи программоносителя в виде профилированного ку­ лачка, перфокарты, перфоленты, перфодиска, киноленты, магнитной ленты и др. Этот способ гораздо удобнее для комплексной автомати­ зации сварочного процесса.

Весьма удобным носителем информации для быстро протекающих процессов контактной сварки, в частности для точечной и роликовой, является перфокарта. При помощи перфокарт обеспечивается жест­ кая технологическая дисциплина, высокая точность и стабильность повторяемости режима сварки.

Так как перфокарты являются легкосменными программоносите­ лями, то они позволяют быстро осуществлять переналадку машины на сварку другого изделия или на другой режим работы.

Путем автоматической смены перфокарт можно автоматизиро­ вать процесс сварки сложных изделий, когда вследствие перемен­ ной толщины изделия или различного сочетания толщин необходимо изменять режим от точки к точке или для группы сварных точек.

Перфокарту можно также использовать для записи различных технологических команд, например изменения усилия сжатия элек­ тродов, а также команд для управления различными механизмами машины и транспортными операциями, что является чрезвычайно ценным качеством при комплексной автоматизации всего техноло­ гического процесса.

Недостатком перфокарт, как и всех программоносителей жестко­ го управления, не имеющих обратных связей и компенсации возмуще­ ний, является их полная нечувствительность к внешним возмуще­ ниям, воздействующим на управляемый параметр. Следовательно, точность управления машиной по жесткой программе всегда на­ ходится в пределах отклонений, вызываемых случайными внешними возмущениями, например падением напряжения сети. Если уровень вносимых при этом погрешностей допустим по техническим услови­ ям на сварку данных изделий, то безусловно следует выбирать си­ стему жесткого программного управления, так как она значительно проще и надежнее в действии, чем системы с автоматическим регу­ лированием, компенсацией возмущений и обратными связями и, кро­ ме того, обладает безынерционностыо.

В одном из программных устройств, разработанных в ИЭС им. Е. О. Патона дляточечных и роликовых машин [30], режим сварки, т. е. последовательность включения идлительность операций, а также длительность, форма и величина импульса сварочного тока, тока подогрева и термической обработки, величина давления, задается на перфодиске из светонепроницаемой бумаги. В перфодиске проби­

156

ваются отверстия, соответствующие определенной программе режима сварки. Таким образом, перфодиск является сменным програм­ моносителем. Для работы он устанавливается на прозрачном диске, который приводится во вращение синхронным электродвигателем, что позволяет синхронизировать программу с напряжением сети.

При этом, однако, существенно видоизменяются считывающее устрой­ ство, а также система преобразования и усиления сигналов управ­ ления.

Вмашинах для точечной и роликовой сварки весьма эффективна система автоматического управления, основанная на применении перфокарт (рис. 30). Программа режима сварки записывается на перфокарте в двоичном коде путем пробивания отверстий в соот­ ветствующих местах на специальном приспособлении — ручном перфораторе.

Считывающее устройство представляет собой набор контактов, которые находятся в замкнутом или разомкнутом состоянии, в за­ висимости от наличия или отсутствия отверстия в перфокарте. За­ писанная программа разворачивается во времени дискретно при по­ мощи коммутаторных декатронов. Отсчет времени производится декатронами синхронно с напряжением питающей сети. Максималь­ ная длительность всего цикла определяется числом декатронов, участвующих в развертке программы.

Вдешифраторе происходит преобразование записанной в двоич­ ном коде информации в напряжение ступенчатой формы, которое является выходным и управляет исполнительным органом.

Кроме выходного управляющего напряжения, программное устройство может выдавать различные вспомогательные команды

157

(в том числе для смежных операций транспорта и сборки), а также программу давления на электродах. Программа вспомогательных операций и давления записывается на этой же перфокарте.

В машинах для стыковой сварки оплавлением широкое приме­ нение нашли простейшие механические системы жесткого управле­ ния с программоносителями в виде профилированных кулачков, ско­ рость вращения которых и профиль определяют закон (программу) изменения основного параметра режима сварки — скорости оп­ лавления. Этот метод механического программирования очень прост, но далек от совершенства. Например, при неровной обрезке торцов свариваемых деталей требуемый нагрев возможен лишь в том случае, если программа изменения скорости будет задаваться с мо­ мента начала оплавления по всему сечению, а длительность оплавле­ ния косины не будет входить в общее время сварки. При использо­ вании кулачков это требование выполнить очень трудно вследствие невозможности добиться стабильно точной торцовки свариваемых деталей. Вторым недостатком рассматриваемой системы является необходимость смены кулачка при переходе на другой режим свар­ ки, что является довольно трудоемкой и невыгодной операцией,

многоцепных реле времени [30]. В стыковых машинах К-155, К-190, К-163 (ИЭС им. Е. О. Патона) в качестве такого реле использует­ ся командный прибор типа К.ЭП-12У. Прибором можно задавать длительность операций включением и выключением электрических цепей общим количеством до 12, а также регулировать напряже­ ние и скорость оплавления по программам, достаточно близким к иде­ альным. Для регулирования скорости по программам (дискретного типа) используется шесть контактов, размыкающихся последова­

устройства является возможность внесения некоторой поправки в программу на неточность первоначальной установки свариваемых де­ талей в стыковой машине и на косину их торцов. При этом в начале процесса выбирается зазор между деталями и сплавляются неров­ ности на их торцах. Как только ток оплавления достигнет заранее установленной величины, соответствующей началу оплавления по всему торцу, автоматически вступает в действие программное устройство.

158

Системы жесткого управления с автоматической компенсацией возмущений. В отличие от обычных систем жесткого управления бо­ лее стабильный режим сварки могут обеспечить системы с автомати­ ческой компенсацией возмущений. Принцип их действия заключает­ ся в том, что с целью сохранения заданной выходной величины в систему жесткого управления вводятся устройства, компенсирующие влияние каждого из возмущений. В этих устройствах производится измерение возмущения, соответствующее его преобразование и по­ дача на вход объекта управления в виде дополнительного, компен­ сирующего воздействия. Следовательно, если входная величина, жестко заданная программным устройством, равна UBx0, а допол­ нительное воздействие, подаваемое на вход системы и компенсирую­ щее влияние данного возмущения — ДНВХ, то величина результи­ рующего воздействия на входе

Нвх = Н вхо zb ДНВХ.

Существенным преимуществом систем с автоматической компен­ сацией возмущений является возможность безынерционной отра­ ботки возникающих возмущений.

Однако создание компенсирующих устройств представляет собой достаточно сложную задачу. Зачастую для повышения точности ком­ пенсации требуется применение вычислительных устройств. Нали­ чие большого количества компенсирующих вычислительных уст­ ройств сильно усложняет всю систему управления и может сделать

шенны и универсальны замкнутые системы автоматического управле­ ния и регулирования, в том числе следящие системы, использующие принцип обратной связи по регулируемой величине. Эти системы позволяют поддерживать заданное значение управляемого парамет­ ра е определенной точностью, независимо от причин и характера возмущений, вызывающих изменение этого параметра. Типичным недостатком таких систем с автоматическими регуляторами и сле­ дящими устройствами является некоторая инерционность, появляю­ щаяся в результате введения в регулятор инерционных звеньев, исполнительных приборов и т. д.

Наиболее совершенны комбинированные системы автоматиче­ ского управления и регулирования, использующие принцип авто­ матической компенсации и обратной связи по регулируемой вели­ чине. Они обеспечивают высокую точность регулирования при до­ статочном быстродействии.

В зависимости от параметра регулирования системы автома­ тического регулирования разделяются на две группы: системы

159