Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние теории и практики управления пространственным положением сварочной головки и постановка задачи исследования 11
1.1 Современные устройства для автоматического управления пространственным положением сварочной головки 11
1.2 Системы управления положением сварочной головки по электрическим параметрам дуги 16
1.3 Цели и задачи исследования 28
2. Исследование автоколебательной системы управления положением сварочной головки 30
2.1 Обоснование применения автоколебательной системы управления положением сварочной головки и выбора метода проектирования 30
2.2 Математическая модель процесса сварки 34
2.3 Фазовый годограф релейной системы 38
2.4 Построение одноконтурной автоколебательной системы управления положением сварочной головки методом фазового годографа 40
2.5 Исследование автоколебательной системы управления положением сварочной головки методом линеаризации 50
Выводы 57
3. Проектирование двухконтурной автоколебательной системы управления положением сварочной головки 59
3.1 Проблемы управления положением сварочной головки по нескольким контурам 59
3.2 Двухконтурная автоколебательная система управления положением сварочной головки 63
3.3 Методика синтеза автоколебательных систем управления положением сварочной головки 68
3.4 Сравнительный анализ автоколебательной системы управления положением сварочной головки и системы с внешней модуляцией 82
Выводы 87
4. Моделирование автоколебательной системы управления сварочной головкой с учетом реальных условий эксплуатации 89
4.1 Классификация и анализ возмущающих воздействий при сварке 89
4.2 Автоколебательная система управления сварочной головкой при сварке криволинейных стыков 93
4.3 Исследование автоколебательной системы управления сварочной головкой при воздействии внешних возмущений 100
Выводы 108
5. Реализация системы автоматического управления процессом сварки на цифровой технике 110
5.1 Формулировка требований к цифровой системе управления 110
5.2 Математическое обеспечение автоматической системы управления процессом сварки 114
5.3 Техническая реализация автоматической системы управления 118
5.4 Экспериментальное исследование цифровой автоколебательной системы управления сварочной головкой в реальных условиях 124
Выводы 128
Основные результаты и выводы по работе 130
Список литературы 132
Приложения 140
- Современные устройства для автоматического управления пространственным положением сварочной головки
- Математическая модель процесса сварки
- Проблемы управления положением сварочной головки по нескольким контурам
- Классификация и анализ возмущающих воздействий при сварке
Введение к работе
В настоящее время в промышленности сварка является самым распространенным типом соединения материалов. Сварочное производство развивается бурными темпами, в ряде случаев превосходящими темпы роста других процессов металлообработки. Ведущее место в сварочном производстве по-прежнему занимает дуговая сварка, которая и в ближайшем будущем останется основным видом сварки плавлением, а электродуговая сварка в среде защитных газов или под флюсом является одной из наиболее широко используемых. Такое положение дуговой сварки объясняется высокой концентрацией тепловой энергии, универсальностью процесса, возможностью сварки в различных условиях и положениях, надежностью и относительно низкой стоимостью оборудования, стабильностью прочностных характеристик сварных соединений, сравнительной простотой механизации процесса дуговой сварки.
Однако до сих пор значительная часть сварочных работ выполняется вручную. Автоматизация сдерживается отсутствием точных и надежных датчиков параметров стыка и сварочного процесса, но и в этом случае возможна лишь при условии качественной разделки швов и высокой точности позиционирования деталей по отношению к сварочному механизму, достигаемой за счет непрерывного совмещения оси горелки с центром углового стыка для получения качественного соединения.
Современным направлением автоматизации сварочных процессов является использование сварочных роботов. Конечной целью создания и применения сварочных роботов является повышение производительности труда и качества продукции. Суммарная технико-экономическая эффективность применения сварочных роботов включает повышение качества сварного соединения, социально-экономический эффект, экономию фонда заработной платы. Социально-экономический эффект достигается за счет освобождения человека от монотонной утомительной работы, исключения травм, заболева-
5 ний. Робот может эксплуатироваться в условиях вредной для здоровья человека среды (радиоактивной, химически активной, токсичной и т.д.). Перечисленные факторы с трудом поддаются количественной оценке, однако преуменьшать их значимость недопустимо.
В то же время применение промышленных роботов для автоматизации процессов дуговой сварки выдвигает ряд задач по организации производственного процесса, конструированию роботов с учетом специфики сварочного производства и, в первую очередь, созданию систем управления, обеспечивающих заданную точность и качество сварных соединений. Отклонение геометрических параметров свариваемых деталей и нарушение их пространственной ориентации затрудняют использование сварочных роботов, работающих по жесткой программе. Так, допустимый разброс точек сварки возможен лишь при условии, что отклонение размеров детали и погрешности ее ориентации не превосходят ошибок позиционирования робота. Если погрешность геометрических параметров свариваемой детали превышает некоторый предел, обусловленный допуском на размещение сварных точек и допустимым процентом брака, то применение роботов с жестким управлением становится нецелесообразным из-за низкого качества получаемого соединения. Возникает необходимость использования в роботах более совершенных систем управления, которые могли бы обеспечить сварку, используя текущую информацию о каждой детали по параметрам, определяющим условия и качество процесса сварки. Информация об изменении характеристик детали вводится в систему с помощью датчиков. Однако существующие в настоящее время механические, оптические, тепловые и другие датчики в реальных условиях фактически не используются из-за наличия в зоне сварки большого количества побочных факторов, выводящих их из строя. Для решения задачи автоматизации технологического процесса сварки необходимо применение совершенно новых подходов к получению информации о геометрических параметрах и положении стыка.
Одним из перспективных направлений развития систем управления процессом сварки является использование в качестве источника информации о геометрических параметрах стыка гармонических составляющих сварочного тока. В то же время применяемые в настоящее время системы позиционирования сварочной головки относительно шва на основе анализа гармонических составляющих сварочного тока используют в качестве источника колебаний для формирования качественного шва внешний генератор. Основными их недостатками являются фиксированная частота внешнего генератора, что не позволяет таким системам более быстро и качественно подстраиваться под параметры детали, и наличие дополнительных блоков, усложняющих конструкцию системы.
Таким образом, совершенствование качества систем управления процессом сварки и повышение надежности их работы по-прежнему является актуальной задачей.
Целью диссертационной работы является повышение качества сварных соединений путем создания автоколебательных систем управления положением сварочной головки, позволяющих исключить использование внешних генераторов колебаний электрода, применяемых для формирования качественного шва, и тем самым улучшить динамику и надежность работы автоматизированного сварочного оборудования.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
исследование возможности возникновения автоколебаний в системе управления положением сварочной головки и их использования для генерации колебаний сварочного электрода;
выбор методов синтеза автоколебательной системы автоматического управления положением сварочной головки и ее исследования;
разработка структуры автоколебательной системы автоматического управления пространственным положением сварочной головки и методики синтеза ее параметров;
- оценка возможности применения автоколебательной системы для
сварки различных типов стыков;
оценка возмущений, действующих на систему управления в процессе сварки, и исследование динамики ее работы в реальных условиях;
определение основных требований к современным АСУ ТП процессом сварки и реализация разработанных алгоритмов управления средствами цифровой техники.
Автор защищает:
методику синтеза и анализа систем управления процессом сварки, основанную на применении метода фазового годографа и позволяющую осуществлять построение таких систем без использования внешних генераторов колебаний электрода;
структуру автоматической системы управления положением сварочного электрода, автоколебания которой используются для поперечного перемещения электрода, обеспечивающую более высокую точность и надежность работы по сравнению с известными разработками;
структуру автоколебательной системы управления положением сварочного электрода с адаптацией к параметрам кромок стыка, которая обеспечивает высокое качество шва при значительном изменении технологических параметров стыка;
обобщенную классификацию и математическое описание основных возмущающих факторов, действующих на систему управления электродуговой сваркой в реальных условиях;
методику оценки предельных значений кривизны стыка для автоматических систем управления положением сварочной головки, позволяющую на основе однократного моделирования реакции системы на заданное возмущающее воздействие определять допустимые параметры кривизны свариваемых изделий;
- техническую реализацию автоматической системы управления по
ложением сварочного электрода.
Методы исследования. Решение поставленных в работе задач по разработке систем автоматического управления процессом электродуговой сварки базируется на использовании методов теории автоматического управления, гармонического анализа, теории фильтрации сигналов, теории цифровой обработки сигналов, численного анализа, методах теории математического моделирования.
Достоверность и эффективность разработанной системы подтверждается методами компьютерного моделирования, экспериментальными исследованиями и опытно-промышленными испытаниями в производственных условиях.
Научная новизна работы состоит в создании нового подхода к проектированию систем управления положением сварочной головки, в которых для реализации поперечных колебаний электрода, применяемых для формирования качественного шва, используются автоколебания системы.
Основные результаты, определяющие научную новизну:
- разработана методика синтеза автоколебательных систем управления
положением сварочной головки, основанная на применении для их расчетов
метода фазового годографа и позволяющая улучшить динамические характе
ристики существующих систем;
предложены структуры систем управления положением сварочной головки, в которых колебания электрода создаются автоколебательным контуром, замкнутым по первой гармонике тока сварки и отличающиеся от существующих более высокой надежностью и качеством работы;
осуществлен комплексный анализ возмущений, действующих на систему управления в процессе сварки, позволивший произвести аппроксимацию помех, влияющих на качество работы системы управления;
разработана методика оценки предельных значений кривизны стыка для автоматических систем управления положением сварочной головки, позволяющая определять допустимые параметры кривизны свариваемых изде-
9 лий, основываясь на результатах моделирования реакции системы на заданное возмущающее воздействие.
Практическая ценность выполненных исследований определяется следующими результатами:
даны рекомендации для синтеза систем управления положением сварочной головки, обеспечивающих высокую надежность и требуемое качество формирования сварного соединения. Применение предложенных систем дает возможность повысить производительность сварочного оборудования и обеспечить экономию энергии и сварочных материалов за счет исключения дополнительной сварки непроваренных швов;
предложен подход к линеаризации системы управления сварочным электродом по полезному сигналу, позволяющий обеспечить полный учет нелинейностей системы управления и получить достоверные результаты исследований;
предложенные схемы систем управления просты в реализации и могут использоваться при электродуговой сварке в среде защитных газов и под флюсом;
определены требования и даны рекомендации для построения систем управления процессом сварки на цифровой технике;
- разработано алгоритмическое и программное обеспечение микро
процессорных систем, позволяющее эффективно управлять процессом фор
мирования сварного соединения.
Реализация результатов работы. Предложенная в диссертации методика автоматизации процесса сварки легла в основу реализованных в ОАО «АК «Туламашзавод» цифровых систем автоматического управления сварочным процессом. Для SCADA-системы TRACE MODE разработаны FBD-диаграммы управления положением сварочной головки. Разработано аппаратно-программное обеспечение для автоматизированного управления технологическим процессом электродуговой сварки в среде защитных газов и под флюсом.
Разработанная методика синтеза автоколебательных систем управления внедрена также в учебный процесс кафедры ЭВМ при реализации курса «Основы теории управления» и дипломном проектировании бакалавров и инженеров по специальностям: 230101 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети»; 140610 «Электрооборудование и электрохозяйство организаций, предприятий и учреждений»; 090105 «Комплексное обеспечение информационной безопасности автоматических систем»».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на:
XVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-16», г. Ростов-на-Дону, РГАСХМ, 2003;
IX Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве», г. Нижний Новгород, МВВО АТН РФ, 2003;
IV Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в соединении материалов», г. Тула, ТулГУ, 2003;
X Международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии СТТ2004», г. Томск, ТПУ, 2004.
- I Всероссийской научно-технической конференции «Идеи моло
дых — новой России», г. Тула, ТулГУ, 2004 г. (диплом лауреата 2 степени);
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, среди которых 1 патент на изобретение.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5 разделов, выводов по результатам работы, списка литературы из 75 наименований. Работа изложена на 161 странице машинописного текста, включает 51 рисунок, 5 таблиц и 5 приложений.
Современные устройства для автоматического управления пространственным положением сварочной головки
В настоящий момент существует множество различных способов, позволяющих автоматизировать сварочный процесс [21]. Конструкции применяемых механизмов разнообразны и, как правило, отвечают требованиям конкретной области, для которой они были сконструированы [7, 14].
Полная автоматизация сварки требует, чтобы сварочный автомат управлял одновременно как режимом, так и инструментом. К автоматам такого типа относят промышленные роботы. Конструктивно промышленный робот является комплексным устройством, в котором в сложной взаимосвязи сочетаются механические, электрические силовые, а также электрические и электронные информационные элементы и устройства. Он состоит из механической части, системы приводов, системы управления и силового оборудования [51].
Сущность применения промышленного робота для сварки состоит в том, что субъективный элемент (человек) исключается, и искусство квалифицированного сварщика заменяется последовательностью так или иначе программируемых элементарных операций, позволяющих с достаточной точностью совершить требуемый процесс сварки. При этом необходимо обеспечить сварку при любой конфигурации шва с учетом как геометрии последнего, так и ограничений сварочного процесса [44, 46].
Наиболее распространенными на сегодняшний день являются роботы первого поколения, среди которых выделяются своими возможностями обучаемые роботы. Такие роботы способны выполнять заданную рабочую программу, возможно с минимальной коррекцией в зависимости от внешних условий [3]. Тем самым они полностью устраняют человека из сварочного производства в его промышленной стадии, чего невозможно добиться, например, при удаленном управлении, когда человек включен в контур обратной связи цепи «робот-изделие». Управление обучаемым роботом может вестись на специальном языке, с помощью фиксированных настроек (как, например, у промышленного робота «Версатран» [52]), а также с помощью обучения прогоном — одним из развиваемых сейчас направлений автоматизации сварочного производства (особенно в азиатско-тихоокеанском регионе) [74].
При обучении прогоном сварщик обучает робот, направляя механизм наиболее быстрым способом, т.е. на начальном этапе практически самостоятельно осуществляет сварку. Колебания электрода записываются в память робота, и, после процесса обучения, он самостоятельно может осуществлять сваривание деталей. При этом возможно постоянное запоминание позиций и движений электрода, либо инициированная оператором запись критических позиций и конфигураций. Данный способ автоматизации сварочного процесса известен достаточно давно и был описан в [69] как «программирование обучением» и классифицирован на два вида: механизированное и ручное обучение. Механизированное обучение широко используется в современных индустриальных роботах, где для управления перемещением робота используется специальный пульт. При ручном способе обучения оператору приходится самостоятельно перемещать механизмы робота в процессе обучения (рис. 1.1).
К системам такого типа относятся, например, Unimate PUMA 500/600, Robovision II. Главные отличия роботов данной группы связаны с используемыми сенсорами и способностью систем к адаптации к изменяющимся внешним условиям.
Обладая неоспоримым преимуществом — относительной простотой реализации и обслуживания, дешевизной, промышленные роботы первого поколения имеют и существенные недостатки. Главным из них является невозможность самостоятельного отслеживания сварного стыка и минимальные способности к корректировке процесса сварки в зависимости от параметров процесса. Решением этих задач занимаются роботы второго и третьего поколения, обладающие координацией движения с восприятием или искусственным интеллектом [53, 66].
Для отслеживания процесса сварки такие автоматы используют различные способы: копиры, сенсоры, термодатчики, луч лазера.
В простейших системах поперечной коррекции электрода в качестве датчика используют механические копиры, получающие информацию о смещении стыка контактно-механическим слежением копир ного ролика (щупа) за рабочей поверхностью [50]. Несмотря на простоту, копирные системы имеют следующие недостатки: - чувствительность к геометрии стыка, неровностям, местным вы-хватам, заусенцам, прихваткам, наплывам от брызг металла и т.п.; - наличие упругих смещений в системах с жесткой связью из-за больших усилий, необходимых для смещения сварочной горелки; для систем с гибкой связью характерно наличие зоны нечувствительности.
Большой практический интерес при дуговой сварке представляют способы построения автоматических систем поперечной коррекции электрода по стыку с бесконтактными электромагнитными, фотоэлектрическими и телевизионными датчиками, работающим непосредственно по линии стыка [37].
Электромагнитные датчики получают информацию о смещении стыка в результате изменения параметров магнитного поля, созданного в зоне стыка самим датчиком. Наиболее чувствительны такие датчики к превышению кромок. Превышение кромок вызывает смещение нуля датчика при отсутствии кривизны стыка. Компенсация смещения нуля от перекоса кромок — наиболее сложная задача при разработке бесконтактных электромагнитных датчиков стыка [39].
На практике получили применение индуктивные и индукционные электромагнитные датчики стыка, а также датчики краевого эффекта электромагнитного поля в зоне стыка. Работа индуктивных датчиков основана на зависимости индуктивного сопротивления индикаторной катушки от ее расположения относительно стыка.
Применение индуктивных датчиков требует точности сборки свариваемых кромок. При сборке недопустимы большие превышения кромок, а при работе следящей системы — изменения высоты датчика до детали, которая, как правило, поддерживается благодаря контактности датчика со свариваемой деталью. Недостатками датчиков являются: контактность с деталью (отсутствие
контакта с деталью возможно в случае стабилизации высоты датчика над ней); чувствительность к геометрии стыка (превышению кромок, изменению зазора, форме разделки и т.п.); подверженность влиянию внешних факторов электромагнитного и теплового характера. Применение датчиков предопределяет методическую ошибку вследствие разнесения сварочной горелки и датчика вдоль линии стыка.
Принцип действия фотоэлектрического датчика заключается в зависимости тока, протекающего через фотоэлемент, от падающего на него светового потока, отраженного от программной линии. Из всех известных типов фотоприемников в измерительных системах наибольшее применение нашли фотодиоды, так как они имеют высокую чувствительность, простую конструкцию, малые габаритные размеры, малую инерционность.
Фотоэлектрические следящие системы, работающие по программной линии, характеризуются бесконтактностью работы; универсальностью к виду свариваемого материала; нечувствительностью к разделке кромок, превышению кромок, колебаниям зазора, прихваткам; возможностью многопроходной сварки.
Математическая модель процесса сварки
В настоящее время большое внимание уделяется разработке математических моделей сварочных процессов, основанных на результатах теоретических исследований процесса электродуговой сварки. Наиболее известны в этой области работы Б.Е. Патона [47], Э.А. Гладкова [39], В.А. Судника [57, 58, 59, 60], В.К. Лебедева [34] и других авторов [1, 2, 36].
Для расчета параметров системы управления положением сварочной головки и количественного анализа характеристик гармонических составляющих тока и напряжения необходимо иметь математическую модель процесса сварки в соответствующих входных и выходных переменных [56]. Модель должна описывать взаимосвязь между отклонением головки от стыка и амплитудой и фазой гармонической составляющей сварочного тока и напряжения. При этом необходимо, чтобы в модели было учтено влияние значений углов разделки кромок, частоты и амплитуды поперечных колебаний электрода на параметры тока и напряжения. Кроме того, модель должна отражать динамические процессы, протекающие в источнике питания, электрической дуге при различного рода отклонениях сварочной головки относительно стыка, т.е. модель должна быть вида «источник питания — дуга — стык». Для более полного представления протекающих процессов необходимо также, чтобы модель описывала технологические возмущения, вызываемые короткими замыканиями дугового промежутка и характерные для процесса сварки в среде углекислого газа. Математическая модель должна адекватно описывать исходный процесс и быть удобной для синтеза и анализа систем управления. Основные математические выражения, описывающие электрическую дугу, приводятся в работах [57, 60]. Там же рассмотрены процессы, протекающие в контуре, состоящем из источника питания и сварочной дуги, получены теоретические соотношения, описывающие взаимосвязь между длиной дуги, вылетом электрода и сварочным током, определена зависимость скорости плавления электрода от величины тока сварки.
Разработка моделей получила дальнейшее развитие в работе [39], где наряду с саморегулированием дуги учитываются динамические характеристики источника питания.
Как доказано в [56], такое описание является наиболее приемлемым с точки зрения синтеза систем управления динамической моделью источник питания — дуга. Проведенный там же сравнительный анализ показал, что при условии ее дальнейшей доработки такая модель является удобной для построения систем слежения по стыку [42].
В результате модель процесса сварки с учетом действующих возмущений может быть представлена в виде структурной схемы, приведенной на рис. 2.1, где приняты следующие обозначения: Кд — коэффициент передачи дуги, В/мм; Кст — коэффициент саморегулирования по току, мм/с-А; Ки — коэффициент передачи источника питания; Ти — постоянная времени источника питания; гсв — сварочный ток. А; р — оператор Лапласа [56].
Такая структурная схема позволяет получить на выходе сигнал ісв, пропорциональный току сварки, и исследовать его изменение под действием возмущающих факторов, а также зависимость ісв от параметров стыка, дуги и источника питания.
Исходными параметрами модели являются а, /3,А, со, Кд, Кст и Ти. Определив их для конкретного процесса сварки, можно рассчитать все остальные коэффициенты и найти численные решения полученных дифференциальных и алгебраических уравнений. При этом определение коэффициентов а, /3,А, соне представляет трудностей исходя из их физической сущности.
Значение коэффициента Кд находится по характеристике дуги Ud=f(ld) и определяется соотношением в окрестности среднего значения длины дуги.
Величина Ки находится по характеристике источника питания Uu=f(Iu), которая определяется аналитически по конструктивным параметрам сварочного трансформатора и выпрямителя ил экспериментально.
Приведенная модель описывает взаимосвязь между смещением головки и током сварки. Ее адекватность проверена и подтверждена в [56]. Там же проведено преобразование модели к виду, удобному для цифрового моделирования.
Проблемы управления положением сварочной головки по нескольким контурам
На системы управления перемещением сварочного инструмента возлагается широкий диапазон задач — от поиска начальной точки сварки до выбора закона перемещения инструмента по стыку для обеспечения заданного динамического режима работы. Такие системы на первом этапе должны обеспечивать коррекцию траектории сварочного инструмента с целью выхода его в начальную точку и слежение за кромкой детали. Развитие таких систем позволит обеспечить управление перемещением сварочного инструмента по любой заданной траектории, параметры которой корректируются относительно кромок и поверхности свариваемой детали в процессе движения инструмента [51].
В зависимости от технических возможностей и экономических соображений уровень адаптации сварочного робота может быть различен. Он определяется количеством информации, поступающим от датчиков, способностью системы обрабатывать эту информацию и воздействовать соответствующим образом на рабочий инструмент робота. Можно выделить несколько уровней адаптации сварочных роботов, которые удобно представить в виде таблицы.
Разработанная в предыдущем разделе автоколебательная система управления, согласно представленной классификации, соответствует второму уровню адаптации, где под выходом в начальную точку подразумевается самостоятельное наведение сварочной головки на стык. Однако, как показано в [56], уровень адаптации робота может быть повышен без изменения количества датчиков лишь введением дополнительных контуров управления. Такая система не только отслеживает положение центра стыка, но и корректирует амплитуду поперечных колебаний сварочной головки, обеспечивая адаптацию к параметрам изделия. Подобные системы, в соответствии с рассмотренной классификацией, обеспечивают третий уровень адаптации. Покажем, что хотя при их реализации может быть использован только один датчик для получения информации о токе сварки с последующим выделением его первой и второй гармоник, эти системы можно отнести к многоконтурным системам управления.
Примерами такого подхода являются, например, технология DSL передачи цифровых данных по телефонным линиям параллельно с голосовыми [67], разделение частотных диапазонов в телефонной линии для передачи двух различных голосовых потоков, эфирная и кабельная передача радио и телевизионного сигнала, когда в общем информационном потоке происходит разделение информационных каналов по их частотам и многие другие системы и технологии.
Таким образом, рассматриваемая система управления положением сварочной головкой может быть отнесена к многоконтурным системам управления.
Как уже отмечалось, во многих практических случаях оказывается целесообразным изменять параметры процесса сварки в зависимости от разделки стыка, что позволяет снизить требования к разделке кромок, а, следовательно, и время подготовительных операций. В [56] приведен один из таких подходов к получению качественного соединения при сварке стыков с переменной шириной разделки кромок. Он заключается в коррекции амплитуды колебаний электрода в зависимости от ширины стыка.
Из соотношения (3.1) следует, что уменьшение угла а, соответствующее увеличению ширины разделки кромок, приводит к снижению амплитуды І2 гармонической составляющей сварочного тока удвоенной частоты. Следовательно, при формировании сигнала управления амплитудой, колебания сварочной головки по значению І2 необходимо увеличивать до тех пор, пока 12 станет равной заданному значению, соответствующему номинальному. В результате чего стабилизируется величина Asina, чем достигается регулирование ширины шва в зависимости от разделки кромок.
Контур управления амплитудой колебаний сварочной головки В соответствии с приведенной схемой второй контур не является релейным и управляет только амплитудой периодических колебаний. При условии неизменной ширины разделки кромок и нулевом отклонении от стыка, при которых и строится фазовый годограф, через время, равное времени переходного процесса, выход второго контура управления будет константной величиной, пропорциональной углу разделки кромок. Следовательно, для установившегося режима, значения которого и используются для фиксации точек фазового годографа, этот процесс не будет отличаться от процесса построения фазового годографа для одноконтурной системы управления положением сварочной головки. Таким образом, теоретически возможно избежать построения фазового годографа для двухконтурной системы, ограничившись данными, полученными в предыдущем разделе.
Как показали экспериментальные исследования, введение второго контура в систему управления действительно не вносит изменений в фазовый годограф системы и он соответствует приведенному на рис. 2.3 для случая отсутствия корректирующих звеньев. Это позволяет не проводить дополнительных исследований условия существования автоколебаний и избавляет от повторного проектирования звеньев, корректирующих частоту автоколебаний и параметры годографа.
Классификация и анализ возмущающих воздействий при сварке
Для получения качественного сварного соединения необходимо управлять параметрами, которыми оно определяется. Появление дефектов при сварке непосредственно связано с влиянием на процесс большого количества факторов: конструктивных, технологических и эксплуатационных.
При сварке возможны длительные, кратковременные и периодические отклонения параметров режима от номинальных, причина которых заключается в действии возмущений на элементы сварочного контура. Различные по физической природе возмущения прикладываются в различных точках сварочного контура источник — дуга — изделие, поэтому влияние одних возмущений на процесс сварки может быть ослаблено или относительно легко устранено путем их измерения и компенсации, устранение других может быть связано с определенными трудностями.
С некоторыми допущениями возмущения можно условно разделить на две группы: конструктивные и технологические. Конструктивные возмущения обусловлены конструктивными особенностями сварного соединения. Их влияние выражается в изменении условий теплопередачи и перераспределении тепловой мощности сварочной дуги между деталью и окружающей средой.
Технологические факторы можно рассматривать как технологические возмущения. Они проявляются через особенности работы сварочного оборудования и режим сварки, качество подготовки и сборки сварного соединения, состояние исходных сварочных материалов и положение сварочной головки (электрода) относительно сварного соединения [61].
Наиболее существенны возмущения по параметрам режима сварки. Они, в свою очередь, подразделяются на возмущения, связанные с дугой, питающей системой, сварочной головкой и основным металлом (сварочной ванной).
На основе анализа [11, 39, 61] можно классифицировать возмущения при дуговой сварке. Данная классификация приведена на рис. 4.1.
В процессе сварки параметры режима (ток и напряжение на дуге, расход защитного газа или флюса, скорость сварки и т.д.) не остаются строго постоянными и отклоняются в ту или иную сторону от установленных значений. Отклонение этих параметров от номинальных непосредственно связано с уровнем дефектности шва и, в частности, может привести к появлению в шве таких дефектов, как непровары, подрезы, наплывы, поры, перехваты.
Рассмотрим более подробно некоторые особенности влияния возмущений на качество сварки.
Влияние возмущений, действующих на цепь источник — сварочная дуга (колебания напряжения питающей сети, изменение длины дуги), сравнительно просто устранить с помощью систем стабилизации параметров режима сварки: сварочного тока, напряжения на дуге, скорости сварки, скорости подачи электрода. Подобные системы в различных исполнениях внедрены в промышленности [16].
Значительно сложнее компенсировать влияние возмущений, приложенных к цепи электрод — деталь; влияние их не ослабляется с помощью систем автоматической стабилизации параметров режима сварки [39].
Вообще конструктивные и технологические возмущения трудно контролировать в процессе сварки. Их влияние неизбежно сказывается на сварочном процессе, несмотря на наличие в системе управления средств для борьбы с помехами.
Таким образом, проведенное исследование работоспособности системы управления с помощью используемой выше модели не может дать полной информации о поведении ее в реальных условиях. Это связано с идеализацией процессов, происходящих в реальности. Такое допущение вполне возможно на этапе проектирования, поскольку значительно упрощает процесс разработки. В то же время при окончательном анализе разработанной системы крайне желательно максимально учесть все возмущения, которые могут возникнуть при технологическом процессе сварки. Оказывая влияние на систему, они тем самым в той или иной степени (в зависимости от их характера) дестабилизируют процесс управления. Эти воздействия можно разделить на случайные и неслучайные. Данное деление в ряде случаев может оказаться условным, однако оно полностью характеризует характер математических зависимостей, описывающих эти воздействия.
При сварке криволинейных стыков, в отличие от прямолинейных, необходимо осуществлять не только слежение за линией сварного соединения, но и коррекцию направления колебаний электрода так, чтобы на любом участке движения головки они оставались поперечными [56]. На рис. 4.2 показано изменение направления колебаний электрода относительно касательной к линии соединения деталей при сварке криволинейного стыка. Как видно, при его искривлении (II) поперечные на начальном участке колебания становятся в дальнейшем наклонными, а при достаточно большой кривизне становятся продольными.
Похожие диссертации на Автоколебательные системы управления положением сварочной головки в автоматизированном процессе электродуговой сварки
