Введение к работе
Актуальность задачи. В настоящее время в промышленности России сварка является самым распространенным процессом, при этом ведущее место занимает электродуговая сварка плавящимся электродом в среде углекислого газа и под флюсом. При проведении сварочных работ до сих пор велика доля ручного труда. Автоматизация данного процесса сдерживается отсутствием надежных и высокоточных датчиков о параметрах и положении стыка свариваемых деталей. Существующие в настоящее время датчики (механические, тепловые, оптические и т.д.) в реальных условиях фактически не используются из-за наличия в зоне сварки брызг расплавленного металла, газов и других побочных факторов, выводящих их из строя. Решение задачи автоматизации сварочного процесса возможно лишь путем использования совершенно новых подходов к получению информации о геометрических параметрах и положении стыка.
В данной работе используется принцип получения информации, в основе которого лежит отсутствие датчика как такового, при этом измерение параметров стыка производится на основе анализа сварочного тока.
На основе данного принципа в диссертации предложена методика получения информации о геометрических параметрах и положении стыка на основе гармонического анализа сварочного тока. В результате предложена оригинальная схема информационно-измерительной системы (ИИС), которая может быть легко встроена в сварочные роботы и автоматическое сварочное оборудование. Показано, что внедрение такой системы на практике позволяет существенно повысить качество сварного соединения, уменьшить расход энергии, а также сварочных материалов, и, в конечном итоге, получить существенный экономический эффект.
Целью работы является разработка методов и принципов построения информационно-измерительных систем геометрических параметров и положения сварочного стыка на основе использования гармонических составляющих сварочного тока и напряжения в качестве источника информации.
Достижение этой цели позволяет решить важную научно-техническую задачу, связанную с созданием простых в эксплуатации и надежных ИИС геометрических параметров и положения сварочного стыка с использованием дуги в качестве источника информации о параметрах стыка и пространственном положении сварочной головки.
Автор защищает:
результаты анализа методов измерения геометрических параметров и положения сварочного стыка;
новый подход к получению информации о параметрах стыка и его положении на основе использования гармонических составляющих сварочного тока и напряжения в качестве информационных параметров;
информационные модели электросварочного процесса как объекта исследования;
инженерную методику определения геометрических параметров и положения стыка на основе гармонического анализа сварочного тока;
методику оценки погрешностей измерения параметров и положения стыка;
структурную схему ИИС процесса сварки с использованием дуги в качестве датчика геометрических параметров и положения стыка.
Методы исследования. В работе использованы методы теории измерений, гармонического анализа, цифровой обработки сигналов, теории случайных процессов, численного анализа, теории фильтрации сигналов, регрессионного анализа, теории автоматического управления. Для подтверждения достоверности и эффективности разработанной ИИС проводилось исследование методами компьютерного моделирования и в процессе опытно-промышленных испытаний.
Научная новизна работы состоит в разработке нового подхода к получению информации о параметрах стыка и его положении на основе использования гармонических составляющих сварочного тока и напряжения в качестве информационных параметров без использования дополнительных датчиков. На основе предложенного подхода разработана новая структура информационной системы, позволяющей обеспечить измерение геометрических параметров стыка свариваемых деталей. Разработаны информационные модели электросварочного процесса как объекта исследования, и установлены взаимосвязи между параметрами и пространственным положением стыка, гармоническими составляющими тока и напряжения и технологическими параметрами процесса сварки. Разработана инженерная методика опреде-ления геометрических параметров и положения стыка на основе гармонического анализа сварочного тока. Предложена методика оценки погрешностей измерения параметров и положения стыка. Разработана структурная схема ИИС геометрических параметров и положения сварочного стыка.
Практическая ценность работы, прежде всего, состоит в том, что предложена методика построения простых и надежных в промышленной эксплуатации ИИС геометрических параметров сварочного стыка без использования дополнительных датчиков. Методика теоретически обоснована и доведена до конкретного решения в виде новой структуры информационно-измерительной системы, методики расчета, программного и схемотехнического решения. Экспериментально доказана возможность работы ИИС с использованием дуги в качестве датчика при сварке не только в среде углекислого газа, но и в аргоне и при сварке под флюсом. Предложены новые аналитические зависимости для определения геометрических параметров и положения стыка по гармоническому составу сварочного тока.
Использование предложенной ИИС на практике позволяет обеспечить повышение качества сварного соединения, увеличение производительности труда, а также снижение затрат электроэнергии и сварочных материалов.
Реализация результатов работы. Разработанная в диссертации ИИС прошла испытания в ОАО "Центргаз" (г. Тула) и рекомендована к внедрению.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались:
на 6-й Международной школе молодых ученых при Балтийской олимпиаде В О А С, Санкт-Петербург, ЛИТМО, май, 1998;
на II Всероссийской научно-технической конференции "Компьютерные технологии в соединениях материалов", Тула, сентябрь, 1998;
на I Всероссийской научно-технической конференции "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве", Нижний Новгород, февраль, 1999;
на Всероссийской научно-технической конференции "Методы и средства измерения", Нижний Новгород, НГТУ, апрель, 2000;
на XX1I-XXV Всероссийских молодежных научно-технических конференциях "Гагаринские чтения", Москва, апрель; 1996-2000 г.г.;
на научно-технических конференциях и научных сессиях Тульского государственного университета в 1998-2000 гг.
Программы моделирования сварочных процессов и ИИС демонстрировались на Выставке программных продуктов при II Всероссийской научно-технической конференции ''Компьютерные технологии в соединении материалов".
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, среди которых 2 патента на изобретение.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырёх глав, выводов по результатам работы, списка литературы из 193 наименований. Работа изложена на 126 страницах машинописного текста, имеет 29 рисунков, 8 таблиц и 3 приложения.