Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Особенности автоматической сварки корневого слоя шва кольцевых стыковых соединений магистральных трубопроводов. 11
1.1. Обзор технологий и оборудования для автоматической сварки корневого слоя шва, применяемых при строительстве магистральных трубопроводов 12
1.2. Исследования и разработки процессов дуговой сварки с адаптивным управлением
1.2.1. Анализ процесса сварки корневого слоя шва как объекта управления 18
1.2.2. Обзор способов сбора данных о процессе дуговой сварки и применяемых следящих систем 22
1.2.3. Обзор подходов к формализации законов и алгоритмов адаптивного управления процессом дуговой сварки 27
1.2.4. Обзор сварочного оборудования с адаптивным управлением 36
Цель и задачи работы 41
ГЛАВА 2. Исследование влияния возмущений геометрии кромок на формирование корневого слоя шва 42
2.1. Исследование разброса геометрических параметров сборки стыка 42
2.1.1. Методика проведения исследования 42
2.1.2. Обработка полученных результатов 44 Стр.
2.2. Экспериментальное исследование стабильности формирования корневого слоя шва в условиях возмущения геометрии стыка 49
2.2.1. Методика проведения экспериментов 50
2.2.2. Обработка и анализ полученных результатов 53
2.3. Выводы по результатам исследований 2 главы 55
ГЛАВА 3. Разработка способа формализации законов адаптивного управления процессом сварки корневого слоя шва и синтез управляющих воздейсвий 56
3.1. Постановка задачи 56
3.2. Исследование процесса формирования корневого слоя шва и управляющих воздействий в системе «геометрия сборки – сварочное оборудование»
3.2.1. Методика проведения экспериментального исследования 57
3.2.2. Анализ полученных результатов 59
3.3. Разработка метода формализации законов управления процессом сварки
корневого слоя шва 63
3.3.1. Общая схема метода 64
3.3.2. Применение предложенного подхода к формализации законов управления процессом сварки корневого слоя шва 67
3.4. Обеспечения непрерывности синтеза управляющих воздействий в
системе управления сварочным оборудованием 72
3.4.1. Структура методов на основе нечёткой логики для решения задач управления процессами 72
3.4.2. Применение методов нечеткой логики в задаче управления процессом сварки корневого слоя шва 74
3.4.3. Тестирование полученной системы 76 Стр.
3.5. Апробация разработанных подходов в процессе сварки корневого слоя шва стыковых соединений магистральных трубопроводов 78
3.5.1. Методика проведения тестирования 79
3.5.2. Результаты экспериментов 80
3.6. Выводы по результатам исследований 3 главы 84
ГЛАВА 4. Особенности реализации сварочного оборудования с адаптивным управлением 85
4.1. Прикладные аспекты интеграции следящих систем и автоматического сварочного оборудования 85
4.1.1. Описание работы системы слежения за стыком 85
4.1.2. Сбор параметров геометрии кромок с датчика 87
4.1.3. Оптимизация параметров датчика 91
4.1.4. Реализация контура слежения за стыком 94
4.2. Прикладные аспекты реализации адаптивного управления автоматическим сварочным оборудованием 96
4.2.1. Основные структурные элементы автоматического сварочного оборудования 96
4.2.2. Пример реализации контроллера управления сварочным оборудованием 99
4.3. Выводы по результатам исследований 4 главы 102
ГЛАВА 5. Обобщенная методика адаптации технологии автоматической сварки корневого слоя шва к геометрическим возмущениям сборки стыка 103
5.1. Этап 1. Анализ объекта адаптации 103 Стр.
5.2. Этап 2. Анализ возмущений геометрии сборки процесса автоматической сварки 105
5.3. Этап 3. Установление критических возмущений геометрии сборки 106
5.4. Этап 4. Интеграция систем слежения за стыком и модернизация существующего оборудования 108
5.5. Этап 5. Сбор экспертных данных о формировании корневого слоя шва в условиях возмущений геометрии сборки 109
5.6. Этап 6. Формализация законов управления 111
5.7. Этап 7. Синтез непрерывных управляющих воздействий 114
Общие выводы 116
Список литературы
- Обзор подходов к формализации законов и алгоритмов адаптивного управления процессом дуговой сварки
- Экспериментальное исследование стабильности формирования корневого слоя шва в условиях возмущения геометрии стыка
- Применение методов нечеткой логики в задаче управления процессом сварки корневого слоя шва
- Прикладные аспекты реализации адаптивного управления автоматическим сварочным оборудованием
Обзор подходов к формализации законов и алгоритмов адаптивного управления процессом дуговой сварки
Системы слежения и измерительные системы для дуговой сварки должны получать информацию о свариваемом соединении, и в частности, геометрии собранного стыка. Применение датчиков для дуговой сварки в настоящее время подразумевает измерение необходимых параметров в режиме реального времени, то есть одновременно с процессом сварки (в темпе с процессом) для исключения влияния сварочных деформаций на геометрию стыка или смещение направляющих элементов оборудования, например, смещение направляющего пояса сварочной головки.
Ввиду тяжелых условий работы (высокие температуры, интенсивное световое излучение, электромагнитные помехи) применение специализированных систем более целесообразно. Наиболее распространёнными [10] в настоящее время способами сбора данных являются системы слежения триангуляционного типа и дуговые сенсоры. Системы слежения с дуговым сенсором
Одним из перспективных методов получения информации об изменении геометрии стыка - это обработка информации об изменении тока и напряжения сварки, при этом в роли сенсора выступает сама дуга [9,14]. Согласно [10], примерное соотношение между напряжение на дуге (/), сварочным током (7) и вылетом электрода (/) определяется по следующему выражению: и= &/ +/?2 +/?з//+ М где /?! ... /?4 - это константы, определяющиеся проволокой, газом и характеристиками сварочного источника питания. В большинстве случае задачей источника питания является подержание постоянного напряжения, а значит более стабильного сварочного процесса. Поэтому, если / изменяется, то сварочный ток / Также будет меняться, в большинстве случаев пропорционально возмущению но с противоположным знаком. Данное явление используется в роботизированной сварки для выполнения колебаний горелки поперёк стыка. В случае углового соединения или стыкового с разделкой кромок вылет электрода будет меняться и значит будет меняться сварочный ток, что позволяет отслеживать положение стыка.
Дуговые датчики слежения наиболее эффективны при использовании в качестве основы системы автоматического наведения сварочной горелки на линию свариваемого стыка.
Появление систем автоматического наведения электрода существенно облегчило создание автоматических сварочных установок, но потребовало более сложных и быстродействующих систем обработки информации, которые наилучшим образом реализуются в цифровых системах управления и роботизированных комплексах. Информацию о положении сварочного электрода относительно оси стыка получают, измеряя параметры сварочного процесса, изменяющиеся в зависимости от времени и положения электрода, и сравнивая результаты этих измерений. Таким методом можно получить данные, в том числе, и о параметрах самого стыка (угол разделки, ширина зазора). Для получения наиболее полной информации лучше всего использовать датчики со сканированием дуги поперек стыка.
Способ слежения с дуговым сенсором подразумевает разработку комплексной математической модели, позволяющей на основе анализа гармоник тока и напряжения сварки, кратных частоте колебаний электрода в разделке получать информацию о её параметрах.
Подобные сенсоры нашли применение в роботизированных системах [15,16], позволяя адаптировать траекторию перемещения робота в случае возникновения сварочных деформаций и смещения линии стыка (Рис. 1.9).
При всех достоинствах дуговых сенсоров, данный тип следящих систем не позволяет получать полноценную информацию о геометрии собранного стыка, особенно в случае сложных разделок кромок, которые характерны для сварки трубопроводов. Системы слежения триангуляционного типа Оптические системы слежения триангуляционного типа относятся к перспективному классу активных систем слежения [11], использующие лазерную подсветку для получения изображения свариваемых кромок. Основными элементами системы слежения триангуляционного типа являются лазерный осветитель и видеокамера.
Лазерный луч может выполнять сканирующее движение поперёк стыка, или рассеиваться на разделку кромок с помощью цилиндрической призмы (Рис. 1.10). Используются также различные модификации способа, например, лазерная подсветка может быть не линейной, а, например, круглой, или их может быть несколько для получения 3D профиля детали.
Отражённое от объекта измерения излучение собирается объективом камеры на фотоприёмник (как правило ПЗС матрицу). В зависимости от того, какой пиксель детектора подсвечен, определяется расстояние до объекта. Лазер
Экспериментальное исследование стабильности формирования корневого слоя шва в условиях возмущения геометрии стыка
Обработка выходных файлов параметров геометрии разделки, полученных в результате проведения измерений выполнялась в модуле Statistics and Machine Learning toolbox программного комплекса Matlab, который предоставляет удобную автоматизированную графическую среду для статистической обработки данных.
Для каждого исследуемого параметра выполнялись следующие действия:
1. Вычисление точечных значений параметров законов распределения результатов измерений: среднее арифметическое значение, среднее квадратичное отклонение и значение медианы.
2. Построение гистограммы выборки и подбор теоретического закона распределения. Далее определяется доверительный интервал для результатов измерений в соответствии с выбранным законом распределения и оцениваются границы доверительного интервала с предельными допустимыми значениями, регламентированными нормативами.
Применительно к перекосу кромок в стыке выполнялось исследование абсолютных значений перекоса, так как физический смысл положительного и отрицательного перекоса одинаковый. В связи с этим, гистограмма имеет несимметричный вид (Рис. 2.3).
По результатам обработки можно отметить, что существующие технологии сборки стыка обеспечивают выполнения требований нормативной документации и значение перекоса кромок не превышает допустимого значения. Следовательно, в подборе распределения нет необходимости.
В качестве установленного исследуемого интервала разброса в контексте алгоритмов адаптивного управления был выбран интервал, заданный в нормативно технической документации. Таким образом, М = [0.. 2] мм - диапазон изменения перекоса кромок в стыке Для притупления кромок в стыке был проведён статистические анализ (Рис. 2.4, Рис. 2.5) Число интервалов для гистограммы выбрано ПК Matlab автоматически. Гистограмма и распределение разброса притупления разделки кромок Функция распределения для экспериментальных данных и нормального закона разброса притупления кромок Установлено, что нормальное распределение (JJL= 1.8247, а2 = 0.1287) достаточно хорошо описывает распределение, определяемое экспериментальными данными. Математическое ожидание и дисперсия нормального распределения приняты равными среднему арифметическому и оценке дисперсии, вычисленным по экспериментальным данным. Значение медианы отличается от среднего арифметического менее, чем на 1% (0.73%). Доверительный интервал в случае нормального закона распределения принимают равным ±3а: [0.7485, 2.9009] мм.
Применительно к притуплению правой и левой кромки было установлено, что технология обработки кромок фактически обеспечивает совпадение середины интервала разброса геометрических параметров с серединой нормативного диапазона. Однако, сам нормативный интервал разброса притупления оказался внутри доверительного интервала ±3 7 (Рис. 2.4). Поэтому, в качестве установленного интервала разброса притупления на кромках для дальнейшей проработки был принят доверительный интервал. Я л(п) — [0.7.. 2.9] мм - диапазон изменения перекоса кромок в стыке. Аналогичная обработка была проведена для зазора в стыке (Рис. 2.6, Рис. 2.7).
Видим, что нормальное распределение с параметрами (д = 3.6696, а2 = 0.1133) хорошо описывает данные для параметра зазора в стыке. Медианное значение отличается от среднего арифметического не более, чем на 1%. Доверительный интервал ±3 7 для величины зазора определён в следующих диапазонах: [2.6598, 4.6794] мм.
Применительно к зазору в корне шва установлено смещение установленного интервала разброса относительно нормативного диапазона, поэтому, для дальнейших исследований выбираем доверительный интервал. G = [2.7.. 4.7] мм - диапазон изменения зазора в стыке.
Таким образом, в результате установлены интервалы разброса основных геометрических параметров сборки стыка и подготовки кромок для реалистичных условий проведения сварочно-монтажных работ. Результаты анализа сведены в Таблице 2. Таблица 2. Интервалы разброса геометрических параметров сборки стыка перед сваркой
Характеристики интервала разброса параметра Параметр Нижняя граница, мм Среднее Значение, мм Верхняя граница, мм Зазор в корне Gmin = 2,7 Gc = 3,7 Gmax = 4,7 Притупление разделки RFmin = 0,7 RFC = 1,8 Догмах = 2,9 Перекос кромок Мты =0 Mc =0 Mmax =2 Указанные параметры являются обоснованной характеристикой входные параметров адаптивной системы управления и должны быть учтены на этапах проработки её архитектуры и проведении соответствующих исследований.
Экспериментальное исследование стабильности формирования корневого слоя шва в условиях возмущения геометрии стыка
Целью настоящего исследования является разработка и получение критериев чувствительности технологии автоматической сварки к возмущениям геометрии собранного стыка. В качестве входных данных к экспериментальному исследованию использовались установленные интервалы разброса основных геометрических параметров разделки кромок, установленные ранее (Таблица 2).
Основной задачей исследования являлось установление количественных показателей - критических возмущений сборки стыка, приводящих к дефектам формирования корневого слоя шва, таким как прожог, непровар, несплавление, нарушение геометрических характеристик обратного валика шва. Вторичной задачей исследования являлось сравнение данных показателей для технологий автоматической сварки на постоянном токе и сварке с управляемым каплепереносом (процесс УКП).
Применение методов нечеткой логики в задаче управления процессом сварки корневого слоя шва
Тестирование полученного нечеткого регулятора выполнялось в два этапа. На текущем этапе выполнялось исследование работы автономного регулятора на данных из имеющейся экспериментальной выборки, где для рассматриваемых возмущений геометрии оператором сварочного оборудования были определены и введены корректирующие управляющие воздействия, обеспечивающие формирование корневого слоя шва в соответствии с имеющимися требованиями. Соответственно, выполнялось сравнение управляющих воздействий нечеткого регулятора и оператора-человека (Рис. 3.15), что позволило определить некоторые характерные для используемых методов особенности.
В ходе тестирования было установлено, совпадение действий оператора сварочного оборудования и нечёткого регулятора местах перехода оператора сварочного оборудования с одного уровня управляющего воздействия на другой. Принципиальным отличие является дискретность действий оператора, его неспособность непрерывного контроля процесса, и, наоборот, непрерывность работы нечёткой системы, отрабатывающей постоянные изменения входных параметров, то есть геометрии разделки (Рис. 3.16).
В целом, результаты настоящего тестирования говорят об успешном решении задачи аппроксимации, введённых в нечёткую систему формализованных законов управления процессом сварки корневого слоя шва, что обеспечивает возможность непрерывного синтеза управляющих воздействий системы «геометрия сборки - оборудование» и позволяет выполнить апробацию способа в ходе автономного адаптивного управления сварочным процессом.
Целью экспериментального тестирования являлось определение качественных показателей процесса сварки корневого слоя шва при проведении сварки в автономном режиме (без контроля со стороны оператора) с адаптивным управлением, реализованным на базе разработанного нечеткого регулятора.
Для проведения экспериментов, как и ранее, использовался адаптивный сварочный комплекс и специализированный стенд ФГАУ «НУЦСК при МГТУ им. Н.Э. Баумана».
Сборка стыка выполнялась в соответствии с требованиями нормативной документацией и фиксировалась на прихватках. Далее выполнялось сканирование геометрии разделки средствами адаптивного сварочного комплекса, и формирование входного вектора параметров геометрии разделки
Р1П. На основании этого файла, в два этапа выполнялся подбор параметров режима сварки, то есть результирующего вектора Р . Начальные абсолютные значения параметров режима Pabs вычислялись с помощью существующего алгоритма адаптивной коррекции, реализующей учёт изменения положения места сварки на неповоротном стыке и зазора в корне шва. Далее, с использованием разработанного нечеткого регулятора, вычислялись приращения параметров режима сварки АР и суммировались с определёнными ранее абсолютными значениями соответствующих компонент вектора параметров Pabs, а результирующая сумма использовалась для последующей сварки стыков. Отметим также, присутствие в системе управления адаптивным сварочным комплексом независимого контура геометрической адаптации, обеспечивающего совпадение центра колебаний горелки и центра стыка (Рис. 3.17).
В соответствии с методикой эксперимента выполнено сканирование геометрии сборки перед сваркой (Рис. 3.18). Формирования приращений абсолютных параметров режима сварки осуществлялось посредством подачи на вход нечеткого регулятора следующих компонент вектора Р1П: притупление правой и левой кромки, зазор в корне шва и перекос кромок. Приращения параметров режима, а именно амплитуды колебаний разделки, базового тока (процесс УКП), скорости сварки и скорости подачи проволоки сохранялись в выходной файл приращений с привязкой к угловому положению места сварки на трубе (Рис. 3.19), после чего выполнялась интерполяция данных и суммирование абсолютными значениями параметров, определёнными за счёт встроенных в оборудование программных средств.
Прикладные аспекты реализации адаптивного управления автоматическим сварочным оборудованием
Система слежения SLS050 (Рис. 4.1) относится к оптическим система слежения, работающим по принципу оптической триангуляции, описанному в обзоре в 1 главе работы. В данной системе реализован вариант с подсветкой разделки с помощью полупроводникового лазера с последующей обработкой изображения. К отличительным особенностям системы относится наличие системы охлаждения, обеспечивающей возможность проведения измерений в режиме онлайн (в реальном времени, в темпе с процессом) близко непосредственно к месту сварки, что позволяет исключить возможные погрешности измерений из-за сварочных деформаций и смещений оснастки, например, направляющего пояса между сканированием и сваркой.
В течении последних десяти лет система слежения используется производителями сварочных роботов (и интеграторов) для решения задач наведения инструмента (горелки робота) на стык и уменьшения временных затрат на обучение робота, вплоть до полного исключения данной операции. Рис. 4.1. Система слежения SLS050 на сварочном роботе ABB
Система слежения состоит из следующих основных элементов (Рис. 4.2): датчик, контролер, система охлаждения, управляющее устройство.
Структурная схема основных элементов системы слежения за стыком Датчик устанавливается непосредственно на сварочное оборудование (Рис. 4.1) и выполняет сканирование разделки стыка и передачу данных в контроллер системы слежения для обработки.
Контроллер является центральным элементом системы, выполняет обработку изображения с датчика и вычисление геометрических параметров. В режиме слежения также может выполнять передачу команд управления непосредственно на исполнительные механизмы сварочного оборудования: горизонтальная и вертикальная коррекция положения горелки.
Система слежения обеспечивает воздушное и водяное охлаждение датчика, находящегося близко к зоне сварки и подверженного действию высоких температур.
Для настройки системы слежения под конкретный стык предусматривается использования поставляемого с оборудованием программного обеспечения SLS Pilot tools, посредством которого выполняется выбор типа разделки кромок для использования необходимого алгоритма обработки изображения для вычисления корректных параметров геометрии сборки стыка.
Поскольку для решения задачи адаптивного управления процессом сварки корневого слоя планируется специфическое использование параметров геометрии разделки кромок, выполнена реализация пользовательского программного обеспечения для получения необходимых данных с сенсора и дальнейшая оптимизация режимов его работы.
Сбор параметров геометрии кромок с датчика Для анализа работы системы слежения было выполнено её закрепление на горелке существующего адаптивного сварочного комплекса ФГАУ «НУЦСК при МГТУ им. Н.Э. Баумана». Сканирование выполнялось в режиме офлайн (без сварки). В режиме сбора данных, система слежения передаёт на устройство обработки данных (персональный компьютер) координаты точек перелома разделки и центра разделки 1 – 7 (Рис. 4.3). Передача данных реализована посредством Ethernet интерфейса в формате «запрос-ответ», что позволяет проводить измерения с задаваемой пользователем частотой.
Размещение системы слежения Измеряемые параметры при проведении экспериментов геометрии кромок Для получения необходимых параметров геометрии кромок из имеющихся координат точек перелома разделки выполнялись следующие операции: G = \Х6 — Х71 - зазор в корне разделки, мм М = Y2 — Y3- перекос кромок, мм Я л(п) — S ( 6(7) + 2(3))- притупление кромок, мм Отметим, что притупление кромок вычисляется исходя из допущения о неизменности толщины трубы S.
Для анализа геометрии разделки разработанное программное обеспечение формирует выходной файл параметров стыка с построчной записью результатов измерений (столбцы - параметры геометрии и координаты точек перегиба разделки). В качестве столбца привязки использовалось расстояние, пройденное системой слежения. Варьируемая частота опроса датчика позволяла проводить измерения геометрии кромок с заданной дискретизацией по стыку.
В ходе исследований проводилось сканирование участка стыка трубы диаметром 21 мм общей длиной 1600 мм (Рис. 4.4). Целью экспериментов было определение влияния параметров устройства сбора данных на стабильность проведения измерений.
Исследование проводилось при различных скоростях сканирования, имитирующих перемещение датчика при сварке со средней скоростью 3 мм/с (Рис. 4.6) и при выполнении предварительного сканирования до сварки (с целью анализа геометрии сборки стыка) на максимальной для сварочного автомата скорости 12 мм/с (Рис. 4.5). Скорость опроса датчика в обоих случаях была 0,25с. (4 Гц.)