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

регулирования электрических параметров режима сварки; систе­ мы регулирования физических параметров.

К первой группе относятся регуляторы сварочного тока, напря­ жения, мощности и энергии, ко второй — регуляторы температуры, давления, скорости перемещения и др.

Возможны комбинированные системы регулирования двух или более параметров, как электрических, так и физических. В общем случае система автоматического управления и регулирования может состоять из нескольких взаимосвязанных регуляторов.

Регуляторы сварочного тока. В системах автоматического управ­ ления и регулирования контактных сварочных машин наиболее от­ ветственны регуляторы сварочного тока. Существует очень, много различных типов и, конструкций регуляторов тока. Общим для них является то, что все они входят в замкнутую систему автоматиче­ ского регулирования с отрицательной обратной связью по регули­ руемой величине, т. е. по сварочному току. Они поддерживают тре­ буемое значение сварочного тока с определенной точностью неза­ висимо от причин, вызвавших изменение тока. Этими причинами могут быть: падение напряжения питающей сети, изменение сопро­ тивления вторичной цепи сварочного трансформатора вследствие введения в контур цепи ферромагнитных масс изделия, колебания температуры окружающей среды и нагрева токоведущих частей ма­ шины и т. д., а также изменения сопротивления свариваемых дета­ лей и т. д.

Существуют регуляторы, которые могут обеспечить не только стабилизацию сварочного тока, но и определенный закон его изме­ нения независимо от влияния указанных выше возмущений (по крайней мере многих из них). Разработанный в ИЭС им. Е. О. Патона автоматический регулятор такого типа УРТ-3 для точечных свароч­

использовать его при кратковременных режимах и с произвольной программой изменения тока.

Для точечной и роликовой сварки металла с окалиной и гальва­ ническими покрытиями разработаны специальные регуляторы, осу­ ществляющие плавное нарастание тока [46]. Несмотря на чрезвы­ чайную актуальность задачи точечной и роликовой сварки горяче­ катаной стали с окалиной, не обеспечивающих качественной сварки, все же эти регуляторы, призванные обеспечить сварку таких сталей без снятия окалины, не нашли пока широкого применения в про­ мышленности, так как они еще недостаточно надежны и совер­

160

(травлением, дробе- и пескоструйным способом и пр.) с рабочих поверхностей металла в местах сопряжения деталей и под кон­ тактами.

Регуляторы энергии. Применение рассмотренных выше регуля­ торов позволяет стабилизировать сварочный ток и устранять влия­ ние на него колебаний напряжения сети и изменения сопротивле­ ния сварочного контура. Остаются, однако, нескомпенсированными некоторые другие возмущения, например, изменение размеров ра­ бочей поверхности электродов вследствие износа, шунтирование тока, изменение усилия сжатия электродов и т. п.

В связи с этим, а также в связи с тем, что качество сварного со­ единения при точечной и роликовой сварке определяется не тольковеличиной сварочного тока, но и временем его действия, в настоя­ щее время разработаны и продолжают разрабатываться более со­ вершенные автоматические регуляторы сварочного процесса, объек­ том регулирования которых является не сварочный ток, а энергия,, выделяемая на участке цепи между электродами. Эти регуляторы точечной сварки обеспечивают стабилизацию энергии независимо от характера возмущений. В качестве примеров таких регуляторов, можно привести систему с электронным прерывателем, отключаю­ щим сварочный ток при достижении энергией заданного значения [39]. Уязвимым местом этого регулятора является электронная лампа, служащая счетчиком энергии и не обеспечивающая высо­ кую точность работы, а следовательно, полную стабильность каче­ ства сварки.

Регуляторы энергии, разработанные в ИЭС им. Е. О. Патона, более точны и имеют устройства для компенсации наводок [231. Они обеспечивают высокую прочность сварных точек при действии различных возмущений: колебаний напряжения сети, изменения параметров контура машины, изменения размеров рабочей по­ верхности электродов, усилия сжатия электродов, шунтирования

ит. д.

Крегуляторам мощности относится также кибернетическая си­

стема управления контактными машинами, разработанная в Инсти­ туте кибернетики и ИЭС АН УССР [28, 37] и основанная на при­ менении вычислительной техники. Система состоит из устройства задания программы управления, устройства отработки и устройства автоматической коррекции, осуществляющего коррекцию програм­ мы в зависимости от действия возмущений, нарушающих закон из­ менения регулируемого параметра.

В рассматриваемой кибернетической системе, разработанной применительно к точечной сварке, в качестве параметра регулиро­ вания выбрана величина электрической энергии, выделяемой в зоне сварки в каждый период частоты питающей сети.

В основу построения системы автокоррекции программы управ­ ления положен принцип самонастройки по дискретной математи­ ческой модели регулируемого объекта, представленной в виде таб­ лиц соответствия его параметров. Введение в управляющее устрой­ ство таблиц соответствия в виде дискретных матриц зависимостей основных параметров объекта управления исключает проведение вычислительных операций в процессе управления, что обеспечи­ вает высокое быстродействие системы. Недостатком этого регуля­ тора является относительная сложность схемы, а также то, что ре­ гулирование ведется по суммарному значению сопротивления кон­ тура машины и свариваемой точки.

Регуляторы падения напряжения между электродами. Одним из весьма перспективных направлений в области автоматического регулирования процессов точечной и роликовой сварки является разработка регуляторов падения напряжения между электродами. Ю. Н. Ланкин [21], Б. Е. Патон и другие доказали, что поддержи­ вая постоянным падение напряжения между электродами (при не­ изменном электрическом сопротивлении и толщине свариваемого металла) можно обеспечить постоянство энергии, выделяемой в сва­ риваемых деталях.

В ИЭС им. Е. О. Патона разработан регулятор напряжения, позволяющий стабилизировать падение напряжения между элек­ тродами, либо изменять этот параметр по заданной программе. В этом регуляторе предусмотрены меры по компенсации наводок, а также устройство, сигнализирующее о невозможности сварки в случае значительных отклонений параметров процесса от нормы. Регулятор обеспечивает стабильное качество сварки при действии многих возмущающих факторов, включая шунтирование, изменение размера рабочей поверхности электрода и т. д.

Универсальный автоматический регулятор. В ИЭС им. Е. О. Па­ тона разработан универсальный автоматический регулятор, который стабилизирует сварочный ток, падение напряжения между электро­ дами или выделяемую энергию в зависимости от того, что подается на вход измерительного узла [22].

Многие известные регуляторы имеют низкую точность стабили­ зации регулируемого параметра и значительную инерционность, что не позволяет использовать их при кратковременных высоко­ производительных режимах.

Рассматриваемый регулятор отличается высоким быстродей­ ствием (0,5— 1 период напряжения питающей сети) и большой точностью поддержания регулируемой величины на заданном уровне (1—2%) независимо от причин, вызвавших ее изменение. Ре­ гулятор может работать с программным устройством, обеспечиваю­ щим изменение тока по любой заданной программе. В основном

162

регулятор предназначен для работы с однофазными точечными ма­ шинами серии МТП, снабженными реле времени типа РВЭ-7, РВД или универсальным программным устройством.

Выше рассматривали системы регулирования электрических пара­ метров режима сварки. Приведем примеры регулирования других физических параметров.

Программное регулирование процесса точечной сварки по вели­ чине перемещения электродов. Этот метод регулирования основан на двух положениях: прочность сварной точки в основном опре­ деляется наличием в ней литого ядра и его размерами; коэф­ фициент линейного расширения жидкого металла ядра значитель­ но выше коэффициента расширения того же металла в твердой фазе. Поэтому в период расплавления ядра наблюдается резкое увеличение толщины свариваемой точки и соответствующее, про­ порциональное ему, перемещение подвижных электродов машины.

Эффекты теплового расширения точки в периоды ее нагрева и образования ядра и связанные с этим перемещения электродов мо­ гут быть использованы для автоматического регулирования и кон­ троля точечной сварки.

Автоматический регулятор, разработанный Ю. А. Паченцевым, обеспечивает выполнение заданной программы перемещения элект­ родов путем воздействия на степень нагрева точки сварочным током.

Чтобы электроды перемещались по заданному закону, необхо­ димо в процессе сварки регулировать сварочный ток в зависимости от величины и знака рассогласования между заданным и действи­ тельным перемещениями электродов. Регулирование тока осущест­ вляется при помощи автоматического регулятора, который состоит из датчика перемещений, задающего и сравнивающего узлов и ис­ полнительного органа. При помощи датчика величина перемещения электродов преобразовывается в пропорциональную электрическую величину — напряжение. Это напряжение сравнивается с напря­ жением задающего узла, который формирует требуемую программу перемещений в виде напряжения, изменяющегося во времени по заданному закону. Разность сравниваемых напряжений, представ­ ляющая собой рассогласование в системе регулирования, подается на вход исполнительного органа, который изменяет эффективное значение сварочного тока, а следовательно, и мощность в направ­ лении уменьшения величины рассогласования.

Таким образом, сущность описанного метода регулирования заключается в том, что качество сварной точки определяется по ве­ личине перемещения электродов, измеряемого в процессе сварки. Перемещение электродов, однако, зависит не только от теплового расширения металла, но и от вдавливания электродов в поверх­ ность свариваемых деталей. Эти два явления действуют противо­

положно друг другу. В некоторых случаях вдавливание может быть настолько велико, что практически эффект перемещения электро­ дов наблюдаться не будет. Особенно сильно вдавливание сказывае­ тся при сварке алюминиевых сплавов. При сварке сталей вдавли­ вание сравнительно невелико.

Регуляторы скорости оплавления (при стыковой сварке). В ма­ шинах для стыковой сварки оплавлением основной задачей автома­ тизации сварочного процесса является поддержание устойчивого оплавления торцов свариваемых деталей, не допуская при этом ни коротких замыканий, ни разрывов. Большинство машин строится на принципе естественного саморегулирования процесса оплавле­ ния. Однако, как показали работы С. И. Кучук-Яценко [20] и дру­ гих, при сварке изделий с большим поперечным сечением во многих случаях саморегулирование оказывается недостаточным и не мо­ жет обеспечить устойчивости оплавления. Поэтому современные машины для стыковой сварки непрерывным оплавлением снаб­ жаются автоматическими регуляторами, предотвращающими пере­ ход оплавления в короткое замыкание и, следовательно, обеспечи­ вающими устойчивость всего процесса оплавления (краткосрочные разрывы легко компенсируются сближением торцов и возобновле­ нием процесса оплавления).

По характеру регулирующего воздействия эти регуляторы раз­ деляются на две группы: регуляторы скорости оплавления; регу­ ляторы напряжения.

Р е г у л я т о р ы с к о р о с т и оплавления автоматически корректируют скорость подачи (сближения) деталей в зависимости от тока в сварочной цепи: чем больше ток, тем должна быть меньше скорость подачи, иначе произойдет короткое замыкание. Поэтому регулятор меняет скорость в функции тока. Регулятор позволяет также автоматически возобновить процесс оплавления после ко­ роткого замыкания деталей, возникшего по причинам случайного характера.

Эффективность действия регулятора скорости в значительной мере зависит от инерционности привода подачи и всех подвижных частей машины. Замыкание деталей при оплавлении можно преду­ предить лишь в том случае, если снижение скорости в этот момент будет происходить достаточно быстро. В противном случае (при за­ паздывании) регулятор скорости будет только реверсировать при­ вод после замыкания, т. е. работать в режиме прерывистого подо­ грева, а не непрерывного оплавления.

Из двух наиболее распространенных приводов — механического и гидравлического — наименьшей инерционностью и наивысшей точностью в отработке получаемых сигналов обладает гидропри­ вод, снабженный силовыми цилиндрами, особенно следящий гид­

164

ропривод с обратной связью по перемещению подвижной плиты машины. Следящий гидропривод используется в стыковых машинах К-190, К-155 и других (ИЭС им. Е. О. Патона) и устойчиво рабо­ тает даже при самых низких скоростях перемещения 0,1— 0,08 ммісек [45]. Применение следящего гидропривода открывает большие возможности для комплексной автоматизации процесса сварки и для программирования таких параметров, как скорость и путь перемещения при оплавлении и при осадке.

Регуляторы напряжения (при стыковой сварке). Регуляторы на­ пряжения при стыковой сварке непрерывным оплавлением повы­ шают тепловой к. п. д. машины до максимально возможного зна­ чения. Наибольший тепловой к. п. д. оплавления получается в том случае, когда в любой момент времени напряжение близко к мини­ мально возможному значению. Так как условия сварки практи­ чески не могут быть строго стабильными, то оплавление при мини­ мальном напряжении возможно лишь с помощью обратной связи, корректирующей программу напряжения по току в сварочной цепи. Наибольший эффект дают регуляторы напряжения, обладающие минимальной инерционностью. Этому требованию удовлетворяет игнитронный регулятор напряжения, разработанный в ИЭС

сварочных машин на трассе, использование такого регулятора за­ труднительно. Для таких машин приходится применять более про­ стые схемы, в которых понижение напряжения производится с помощью контактного устройства переключением ступеней авто­ трансформаторов.

Самонастраивающиеся системы управления. В последние годы в сварочной технике все большее развитие приобретают кибернети­ ческие самонастраивающиеся системы управления, являющиеся высшей формой автоматизации технологического процесса. Их по­ явление и развитие в сварочной технике обусловлено тем, что в обычных системах жесткого программного управления, как прави­ ло, заранее заданная программа является оптимальной только для определенных условий эксплуатации сварочной машины. При слу­ чайных изменениях условий работы эта программа оказывается уже не оптимальной, что естественно отражается и на качестве сварного соединения. Для ответственных сварных изделий с высо­ кими требованиями, предъявляемыми к качеству сварки и его ста­ бильности, такие системы жесткого управления могут оказаться неприемлемыми.

Что же касается рассмотренных выше систем управления с ав­ томатической компенсацией возмущений и обратными связями, т. е.

165

ие имеющих жесткой программы, то для стыковой сварки особо ответственных изделий их также нельзя признать идеальными. В. П. Кривонос, Н. В. Подола и другие [17] доказали, что системы с обратной связью по одному из электрических параметров режима сварки — сварочному току, напряжению на электродах, сопротив­ лению контакта, либо энергии, выделяющейся в контакте,— не обес­ печивают полного воспроизведения заданного режима сварки при колебаниях напряжения сети и изменении сопротивления машины.

Впротивоположность этим системам и обычным программным самонастраивающаяся система регулирования автоматически изме­ няет программу работы машины— перенастраивается в зависимос­ ти от действующих возмущений и таким образом восстанавливает оптимальный режим работы для изменившихся условий эксплуата­ ции. Этот процесс автоматической оптимизации программы и яв­ ляется отличительной особенностью самонастраивающихся систем автоматического управления и регулирования.

Вкачестве примера подобной системы можно привести разра­ ботанную в ИЭС им. Е. О. Патона применительно к стыковой свар­ ке непрерывным оплавлением самонастраивающуюся систему управ­ ления, автоматически обеспечивающую стабильность качества свар­ ных соединений при изменяющихся условиях работы сварочного оборудования [17]. Для оптимизации процесса сварки система управления стыковой машиной снабжена двумя автономно действу­ ющими устройствами: экстремальным регулятором частоты пульса­ ций сварочного тока, устанавливающим скорость оплавления де­ талей *, аналоговым вычислительным устройством, определяющим

необходимый припуск деталей на оплавление и осадку методом вы­ числения в реальном масштабе времени распределения температур­ ного поля в свариваемых деталях.

Для экстремального регулирования процесса оплавления при­ менена замкнутая импульсная система с оптимизатором типа ЭРА.

Так как в начальной стадии процесса оплавления частота пуль­ саций тока не является непрерывной функцией скорости подачи, то оптимизатор должен включаться в работу после возбуждения процесса оплавления. Для устранения возможных коротких замы­ каний сварочной цепи в начальной стадии оплавления предусмотре­ но формирование команды на ограничение скорости вплоть до ре­ верса при возникновении в сварочной цепи тока, не модулированно­ го высокочастотными пульсациями.

В соответствии с этим разработан экстремальный регулятор частоты пульсаций тока с использованием стандартных операцион­

* При непрерывном оплавлении частота пульсаций сварочного тока является функцией скорости оплавления.

166

ных усилителей типа У-1. В нем предусмотрены: автоматическое включение регулятора в работу после возбуждения оплавления, задание начальной скорости подачи перемещения плиты и направ­ ление первого шага, возврат схемы в исходное состояние после окон­ чания сварочного цикла и контроль исправности всех блоков ре­ гулятора.

Описанная самонастраивающаяся система управления была исследована в лаборатории и в производственных условиях. При этом за критерий оценки правильности выбора программы ско­ рости перемещения плиты машины, автоматически устанавливаемой оптимизатором, приняты: непрерывность процесса оплавления, а также величина и стабильность зоны нагрева деталей к моменту осадки, обеспечивающие получение сварных соединений требуемого качества и стабильность качества, независимо от различных воз­ мущений процесса сварки.

Испытания производились при сварке деталей из углеродистых сталей с развитым сечением (от 200 до 12 500 мм2), в частности при сварке магистральных трубопроводов на стыковых машинах типа ТКУС.

Испытания показали, что программа перемещения плиты маши­ ны (подачи оплавляемой детали), устанавливаемая экстремальным регулятором частоты пульсаций тока, при вычисленных значениях припусков на оплавление и на осадку (путем анализа теплового поля в деталях) обеспечивает стабильные механические свойства сварных соединений.

К категории самонастраивающихся систем управления можно отнести и рассмотренный выше регулятор энергии, основанный на применении вычислительной техники.

Наряду с указанными выше преимуществами самонастраиваю­ щихся систем следует отметить и их недостаток, заключающийся

вструктурной сложности схемы и ее конструктивных узлов.

Сувеличением сложности схемы растет количество взаимодей­ ствующих элементов и, следовательно, падает степень надежности системы. Дублирование же элементов как средство повышения степени надежности сильно удорожает всю систему и делает сом­ нительной ее экономическую целесообразность. Поэтому, несмотря на высокую степень автоматизации, обеспечиваемую кибернетиче­ скими самонастраивающимися системами управления, применение их в сварочной технике может быть оправдано лишь в тех случаях, когда более простая система, например система жесткого програм­ много управления или система с обратными связями, не может обеспечить требуемого качества сварки и высокой его стабильности. Такие требования обычно предъявляются к особо ответственным сварным конструкциям, для которых стоимость изготовления и

167

эксплуатации сварочного оборудования не имеют существенного значения, а на первый план выдвигаются требования высокого ка­ чества и гарантия его стабильности.

Метод математического моделирования. Повышенные требования, предъявляемые к качеству ответственных сварных соединений, могут быть удовлетворены лишь при условии оптимального управ­ ления сварочными процессами, которое предполагает возможность осуществлять количественные прогнозы и непрерывный контроль качества сварного соединения в процессе сварки, а также оптими­ зацию самого процесса.

С этой точки зрения весьма перспективно новое направление в автоматизации сварочных процессов, основанное на таком тезисе: чтобы управлять сварочным процессом с помощью современных средств автоматики, необходимо на основе физических представле­ ний формализовать задачу, т. е. описать ее достаточно точными ма­ тематическими зависимостями. При этом объект управления заме­ няется математической моделью, отражающей те особенности про­ цесса, которые существенны для управления им, несущественные — с доказанной несущественностью при заданных кондициях процес­ са — отбрасываются.

Вывод соответствующих уравнений производится на основе экспериментально-статистических исследований и зависимостей кри­ терия качества от параметров технологического процесса.

Такая математическая модель может быть использована для про­ гнозирования качества выпускаемой продукции и оптимального управления процессом. В нашем случае это должна быть математи­ ческая модель сварочного процесса, описывающая зависимость качества сварки или сварного шва от параметров сварочного процес­ са. Например, для контактной точечной сварки, критерием каче­ ства которой может служить размер ядра точки и его стабиль­ ность, это должна быть математическая модель, описывающая статис­ тическую зависимость диаметра ядра точки от параметров режима сварки, т. е.

сварочный ток, падение напряжения на электродах, сопротивление в сварочной цепи электрод — электрод, усилие сжатия, мощность, энергия.

В связи с тем, что такая модель необходима для активного конт­ роля сварочного процесса и соответствующего воздействия на него, в эту модель должны быть включены основные управляемые (/ сп, Рсж) и контролируемые (U3, R3, Р, Q) параметры, количественная оценка которых в ходе сварки не вызывает особых затруднений.

168

Результаты исследований Б. Е. Патона, В. В. Подолы н других [31] и опыты, проведенные при сварке алюминиевых листов из спла­ ва АМгб суммарной толщиной 6 = 1 + 1 мм, свидетельствуют о возможности и перспективности математического моделирования сварочных процессов, основанного на экспериментально-статистиче­ ских исследованиях, для создания систем прогнозирования каче­ ства соединений и оптимального управления процессом сварки.

Уравнения [31], описывающие зависимость размеров ядра точ­ ки от режима сварки, моделировались на элементах аналоговой вычислительной машины МН-7. При этом от установленных на кон­ тактной машине датчиков подавались на вход вычислительного устройства сигналы, пропорциональные сварочному току / св, падению напряжения на электродах U3 и усилию сжатия Рсж. К выходу этого устройства подключался цифровой вольтметр причем коэф­ фициенты передачи в устройстве были выбраны так, чтобы показа­ ния вольтметра соответствовали прогнозируемым размерам ядра точки в мм. Таким образом, в любой момент сварки был известен диаметр ядра точки без его непосредственного измерения.

При этом возможна автоматическая запись размеров ядра на ленту. Применив ту или иную систему обратной связи, можно ис­ пользовать эту информацию для оптимального автоматического управления процессом.

Как и любая система автоматики, описанное выше устройство обладает известной неточностью. Ошибка предсказания размера ядра определяется не только степенью неточности математического описания процесса сварки, но и суммарной погрешностью анало­ гового вычислительного устройства, и чем это устройство сложнее,

первый взгляд представляется очевидным, что чем ближе матема­ тическая модель к действительности, тем точнее прогнозы и тем эффективнее контроль и управление процессом. Однако это не со­ всем так. Если построить математическую модель с учетом всех де­ талей и нюансов реального процесса сварки, не считаясь со сте­ пенью их влияния на качество выпускаемой продукции, то это неизбежно приведет к очень сложным уравнениям, вычисления по которым крайне затруднены и приводят к существенным ошибкам. Поэтому необходимо стремиться к построению сравнительно прос­ тых математических моделей, которые отражали бы наиболее су­ щественные особенности сварочного процесса и игнорировали не­ существенные, влиянием которых можно пренебречь.

Не нужно учитывать редкие случайные изменения парамет­ ров режима сварки, переходные процессы сварки или какие-либо

169