в) изменения напряжения холостого хода (ЭДС) источника питания и сопротивления сварочной цепи, вызываемые колебаниями напряжения сети, нагревом обмоток, нестабильностью контактов и многими другими причинами;

г) изменения момента на валу двигателей подачи электрода и перемещения вдоль стыка сварочного автомата; эти возмущения приводят к изменению скорости подачи электродной проволоки и скорости сварки;

в контуре II:

д) изменения геометрии сборки стыка под сварку, зазора, притупления, угла разделки кромок;

е) структурная и химическая неоднородность свариваемого материала;

ж) изменения толщины свариваемого материала по длине стыка;

з) изменения состояния свариваемой поверхности металла (наличие на поверхности окисных пленок, масла и других вредных покрытий);

и) эрозия и изменения химического состава электрода в процессе сварки;

к) смещения электрода и стыка относительно друг друга.

Перечисленные возмущения, вызывая отклонения от номинала основных параметров режима (тока и напряжения дуги, скорости сварки) и изменяя условия ввода теплоты в зоне стыка, приводят к появлению в шве таких недопустимых дефектов, как непровары, подрезы, наплывы, поры, перехваты и др.

Электронно-лучевая сварка. Особенность характеристик объекта регулирования (сварочной ванны) при электронно-лучевой сварке обусловлена спецификой взаимодействия между лучом и жидким металлом сварочной ванны. В начале процесса сварки мощность луча сосредотачивается в поверхностном слое металла, равном глубине проникновения электронов в металл при данном ускоряющем напряжении. На этой стадии кинетическая энергия электронов при их торможении переходит в тепловую, площадь пятна нагрева близка к площади поперечного сечения луча, воздействующего на свариваемый металл. По прошествии некоторого времени начинается испарение расплавленного металла и в нем образуется углубление в виде конуса, внутрь которого углубляется электронный пучок, частично экранируемый жидким металлом ванны. Струя пара металла, двигаясь вверх, взаимодействует с жидким металлом ванны, вызывая неравномерное его перемещение вверх и образование волн и выступов на стенках ванны. При взаимном перемещении детали и электронного луча в этом случае возникает значительный градиент температур в кратере.

При разработке оборудования для электронно-лучевой сварки, с целью стабилизации гидродинамических процессов в сварочной ванне, необходимо решать задачи стабилизации и управления мощностью пучка электронов в электронных пушках, задачи стабилизации и управления фокусировкой пучка, разрабатывать системы колебаний и модуляции пучка по нужному закону относительно поверхности кратера. Быстродействие систем управления этими параметрами должно быть достаточно высоким, учитывая указанный выше частотный спектр возмущений в объекте.

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте I задачу комплексной автоматизации сварки.

2. Охарактеризуйте II задачу комплексной автоматизации сварки.

3. Приведите классификацию возмущений в сварочном контуре.

4. Каковы особенности объектов регулирования при контактной сварке?

5. Какие возмущения оказывают существенное влияние на процесс дуговой сварки?

6. Разомкнутые системы автоматического управления

6.1 Системы управления сварочными источниками питания дуги

Системы дистанционного управления источником питания.

Дистанционное управление сварочным источником необходимо в тех случаях, когда сварщик удален от источника (например, находится внутри свариваемой конструкции), при изменениях пространственного положения электрода, когда необходимо изменить сварочный ток и т. д.

Устройства для дистанционного управления сварочным источником питания при дуговой сварке можно разделить на две группы:

1) выносные устройства дистанционного регулирования тока, требующие применения специальных кабелей управления;

2) устройства, в которых для передачи сигналов управления используется сварочный кабель.

Устройства первой группы содержат элементы, дублирующие органы управления током самого источника (например, реостат в цепи возбуждения генератора, потенциометр в обмотке управления магнитного усилителя, пусковые кнопки электромеханического привода, контакторы включения источника питания и т. п.).

Устройства второй группы обязательно содержат аппаратуру для получения и расшифровки логических сигналов, необходимых для управления силовой частью источника питания. Их применяют главным образом при сварке в монтажных условиях, так как они обеспечивают хорошую маневренность в управлении и надежность в работе.

Функциональная схема устройства первой группы показана на рис. 6.1. Последовательно с обмоткой управления w_у дросселя насыщения ДН включен блок транзисторов БТ, выполняющих функции переменного резистора. Для управления транзисторами служит потенциометр R_р, подключенный к их базам и размещенный на держателе горелки. Цепь управления питается от стабилизированного источника ИП.

Рис. 6.1. Схема дистанционного управления источником питания дуги при сварке на переменном токе.

Аналогичные устройства дистанционного управления сварочным током могут быть построены при сварке на постоянном токе. Базовым источником питания дуги в этом случае является управляемый выпрямитель.

Примером применения устройств второй группы является автоматизация включения сварочного трансформатора и выключения его в перерывах сварки на переменном токе, что позволяет экономить до 30 % электроэнергии. На рис. 6.2 показана схема, с помощью которой при соприкосновении электрода со свариваемой деталью сварочный трансформатор включается, а при размыкании сварочной цепи выключается.

Рис. 6.2. Схема дистанционного включения источника питания дуги

При разомкнутой цепи между электродом Э и изделием И обмотка К1 двухобмоточного реле переменного тока К получает питание от понижающего трансформатора Т через размыкающий контакт 2ПМ магнитного пускателя ПМ, вторичную обмотку сварочного трансформатора СТ и дроссель L. Индуктивное сопротивление обмоток СТ и L велико, поэтому реле К не срабатывает. Замыкание электрода Э на детали И закорачивает эти обмотки. Ток, протекающий через обмотку реле К1, возрастает, и оно срабатывает. Замыкающий контакт К1 коммутирует цепь обмотки магнитного пускателя ПМ, он срабатывает и контактом 1ПМ включает сварочный трансформатор СТ. Одновременно размыкается контакт 2ПМ, но реле К не отпускает и удерживает якорь своей обмоткой К2 до тех пор, пока по дросселю L идет сварочный ток. При размыкании цепи между электродом и деталью дроссель L обесточивается, реле К отпускает свой якорь, сварочный трансформатор СТ магнитным пускателем ПМ отключается от сети. При повторном замыкании электрода на деталь описанный процесс коммутации повторяется.

Устройства регулирования и стабилизации тока и напряжения в сварочных трансформаторах и выпрямителях. Для управления током и напряжением в источниках питания применяют магнитные усилители (МУ). На рис. 6.3, а приведена принципиальная схема источника питания для сварки на переменном токе с МУ дроссельного типа.

Рис. 6.3. Электрическая схема источника переменного тока с магнитным усилителем дроссельного типа

Рабочие обмотки w_р1 и w_р2 МУ включены в сварочную цепь последовательно с обмоткой трансформатора СТ. Обмотка управления щ_у питается от стабилизированного источника выпрямленного тока В, величину которого можно регулировать с помощью реостата R. Для подавления тока четных гармоник в цепь обмотки управления включен дроссель L с большим индуктивным сопротивлением, поэтому переменный ток практически не будет протекать в цепи управления. МУ работает в режиме вынужденного намагничивания. Это дает возможность при идеализированной прямоугольной форме кривой намагничивания сердечника МУ получить прямоугольную форму кривой сварочного тока, что способствует стабильности горения дуги. автоматический сварочный резка

МУ дает возможность регулировать сварочный ток I_св электрическим способом. Это позволяет создать источники питания без перемещающихся механических устройств, таких как подвижные катушки и магнитные шунты, что резко упрощает их конструкцию, повышает эксплуатационную надежность и срок службы.

Автоматическое управление режимами работы источника сварочного тока наиболее часто используют для плавного снижения сварочного тока при заварке кратера и формировании внешних характеристик с помощью обратных связей.

Устройства для снижения напряжения холостого хода сварочных источников питания. При ручной дуговой сварке, резке и наплавке металлов не исключена возможность попадания электросварщика под напряжение источника сварочного тока. При этом тяжесть травмы зависит от напряжения и времени его действия. Опасным считают напряжение 12 В и выше. В режиме холостого хода источника питания напряжение может достигать 100 В и более. Кроме того, в перерывах между сварками выполняются различные вспомогательные операции: смена электрода, очистка электрододержателя, подтягивание кабеля и т. д., во время которых вероятность касания токопроводящих элементов сварочной цепи резко возрастает. Таким образом существует реальная опасность поражения сварщика током в режиме холостого хода источника.

В целях повышения электробезопасности рабочих-сварщиков применяют специальные устройства для снижения напряжения холостого хода источников питания до 12 В. В таких устройствах время действия напряжения холостого хода источника устанавливают минимально необходимым (не более 0,5 с) для стабильности возбуждения дуги.

На рис. 6.4 приведена электрическая схема, одновременно обеспечивающая формирование внешних характеристик сварочного трансформатора, стабилизацию режимов его работы, дистанционное управление и снижение напряжения холостого хода. Это возможно благодаря использованию фазного регулирования тиристоров V1 и V2 в первичной обмотке трансформатора СТ в функции сигналов управления, поступающих с регулятора Р и элемента обратной связи ЭОС по току дуги.

При разрыве сварочной цепи сигнал обратной связи с элемента ЭОС не поступает. Тиристоры V1 и V2 частично закрываются. Одновременно элемент ЭСН отключает резистор Z_ш в первичной цепи сварочного трансформатора. Резистор К остается включенным параллельно тиристорам. Это позволяет увеличить угол включения тиристоров до величины, при которой выходное напряжение трансформатора СТ не превышает 12 В и не представляет опасности для сварщика.

Рис. 6.4. Функциональная схема управления сварочным источником переменного тока с пониженным напряжением холостого хода.

6.2 Системы управления параметрами процесса при контактной сварке

Автоматическое регулирование при контактной сварке преследует цель получения наиболее стабильных и качественных сварных соединений.

Контактная сварка характеризуется малым временем протекания процесса. Это ограничивает время регулирования и не позволяет получить хорошие результаты при инерционном управлении сварочным оборудованием. Кроме того, для однофазных машин, питаемых через тиристорный контактор, единственным способом регулирования тока является изменение угла включения тиристоров. При этом время регулирования определяется длительностью полупериода напряжения сети, так как после включения тиристор становится неуправляемым и дальнейшее регулирование процесса возможно только в следующий полупериод. Важна также стабильность параметров режима сварки во всех циклах.

Основные параметры режима сварки: сила тока, усилие сжатия электродов и продолжительность их действия, геометрия рабочей поверхности электродов. Параметры за время цикла сварки одного соединения (точки, стыка) изменяются по заданной программе, зависящей от марки и толщины (сечения) свариваемого металла и других факторов. Требуемая программа изменения параметров режима реализуется с помощью специальной аппаратуры управления контактных машин.

Программа работы аппаратуры обычно заранее задается соответствующими блоками управления. Например, сила, продолжительность и повторяемость включения и выключения сварочного тока БТ и времени БВ (рис. 6.5), программа перемещения подвижной плиты при стыковой сварке и перемещение роликов при шовной сварке--блоками перемещения плиты БПП или вращения роликов БВР, программа изменения усилия сжатия деталей или их осадка -- блоком усилия БУ. Первоначальное включение и выключение сварочной машины и подача энергопитания (электрической энергии, сжатого воздуха или жидкости под давлением) выполняется блоком включения БПВ.

Рис. 6.5. Функциональная схема управления машинами для контактной сварки: Р, U_c и F -- соответственно давление сжатого воздуха, напряжение электрической сети, усилие сжатия; узлы: 1 -- фазорегулирования; 2 -- стабилизации; 3 -- модуляции; 4 -- программирования

Последовательность включения блоков БУ, БВ, БТ, БПП, БВР и БПВ (при автоматических режимах сварки) осуществляется блоком синхронизации БС. Связь между выходными командами с блоков управления и блоков 1--4 функциональной аппаратуры, а также блока синхронизации БС обеспечивается с помощью релейных контактных и бесконтактных устройств. В однофазных контактных машинах переменного тока совокупность блоков задаются блоками тока контактора К, блоков БТ, БВ и 1--4 формирует прерыватель сварочного тока. Функциональная аппаратура 2, 4 блока БУ обеспечивает программу усилия сжатия и осадки деталей при точечной и стыковой сварке, а аппаратура 4 блоков БПП и БВР -- программу перемещения подвижной плиты или сварочных роликов при стыковой или шовной сварке.

Контрольные вопросы

1. Для чего необходимы дистанционные устройства сварочным источником?

2. На какие группы можно разделить устройства для дистанционного управления сварочным источником?

3. Каковы преимущества применения магнитных усилителей для управления током и напряжением в источниках питания?

4. Почему необходимо снижать напряжение холостого хода источников питания?

5. Каковы особенности процесса электрической контактной сварки с точки зрения его регулирования?

7. Системы автоматической стабилизации сварочных процессов

7.1 Системы автоматического регулирования энергетических параметров дуги при сварке плавящимся электродом

Простейшие системы автоматического регулирования энергетических параметров дуги (тока и напряжения) состоят из механизма подачи электродной проволоки МП, дуги Д и питающей системы ИП - системы автоматического регулирования дуги саморегулированием (АРДС).

Рис. 7.1. Функциональная схема системы автоматического регулирования дуги саморегулированием.

На их основе построены автоматы и полуавтоматы с постоянной скоростью подачи электродной проволоки (трактор ТС-17 и его модификации, АБС и др.). В этих системах механизм подачи электрода МП --задающий орган, а постоянная скорость подачи электрода V --задающий параметр. С его помощью устанавливается требуемая сила тока I_з в сварочном контуре. В процессе сварки заданная скорость подачи электрода V_п сравнивается со скоростью его плавления V_э. При достижении равенства V_п =V_э в сварочном контуре устанавливается определенная сила тока I_д, которая с требуемой точностью поддерживается системой саморегулирования на уровне I_з.

Система АРДС стабилизирует с определенной статической ошибкой сварочный ток при колебании напряжения сети. Опыты показывают, что относительная ошибка по току при дуговой сварке под флюсом при изменении напряжения на дуге от 30 до 50 В в системах АРДС не превышает 10 %.

В схему системы автоматического регулирования напряжения дуги с воздействием на скорость подачи электродной проволоки АРНД (рис. 7.2) в отличие от АРДС дополнительно входит специальное устройство (регулятор), стабилизирующее напряжение дуги путем принудительного изменения скорости подачи электрода V_п.

Скорость подачи V_п определяется напряжением на якоре двигателя U_дв, питаемого от генератора Г. Напряжение на якоре генератора U_г =U_дв зависит от разницы магнитных потоков Ф₂ --Ф₁, наводимых в обмотках возбуждения w₁ и w₂ генератора с протекающими по ним токами. Поток Ф₂ пропорционален ~U_д; при его возрастании увеличиваются U_г и V_п.

Рис. 7.2. Принципиальная схема системы АРНД_v

Поток Ф₁ определяется настройкой потенциометра R_р1 и напряжением уставки U_з. Направление потока Ф₁ встречно направлению потока Ф₂. В установившемся режиме, когда V_п = V_д, поток Ф₂ > Ф₁ на величину ДФ₀, достаточную для преодоления статического момента сопротивления во всех механических узлах автомата. С возникновением возмущения по напряжению дуги ДU_д > О поток Ф₂ увеличится, увеличится и разность ДФ₀, что повысит скорость подачи электродной проволоки на ДV_п. Торец электрода будет приближаться к изделию, уменьшая l_д и снижая U_д.

На базе системы АРНД построены автоматы АДС-1000-2 и др.

Сравнительная оценка систем АРДС и АРНД показала, что автоматы на основе системы АРДС значительно проще, дешевле и надежнее, чем и обусловлено их широкое распространение.

Система автоматического регулирования вылета электрода (АРВ). Подобные системы представляют собой комбинацию системы АРДС и внешнего регулятора длины вылета электрода. Дополнительное введение регулятора позволяет уменьшить статические ошибки по току и напряжению дуги при значительных возмущениях в питающей системе и по длине вылета.

Изменение длины вылета электрода, особенно при больших плотностях тока, может существенно влиять на режим сварки. Исследованиями установлено, что при сварке на форсированных режимах изменение вылета на 1 мм вызывает изменение сварочного тока на 10--12 А.

Рис. 7.3. Функциональная схема системы автоматического регулирования вылета электрода (АРВ).

Функциональная схема системы АРВ представлена на рис. 7.3. Сигнал, пропорциональный току дуги, снимается с шунта R_ш и сравнивается в элементе сравнения ЭС с напряжением уставки U_з. Разность (U_у -- U_з) усиливается по напряжению и мощности усилителем-преобразователем УП и поступает на двигатель М₁. Последний через редуктор q₁ изменяет положение токоподводящего узла ТП (вылет l_в) до тех пор, пока при действующих возмущениях напряжение U_у=kI, пропорциональное току дуги, не сравняется с напряжением уставки U_з с помощью которого задается рабочий ток дуги. Для перемещения электродной проволоки со скоростью V_п служит двигатель М₂, с редуктором q₂.

Система автоматического регулирования тока и напряжения дуги с воздействием на питающую систему (АРП) можно разделить их на астатические (с механическим приводом) и статические (с воздействием на питающую систему через электрические параметры).

Системы автоматического регулирования питающей цепи (АРП) применяют для улучшения качества регулирования основной системы АРДС, так как она не отрабатывает возмущений, действующих на питающую систему (возмущения по напряжению сети, изменению сопротивления сварочной цепи из-за нагрева).

Системы АРП с механическим приводом в регуляторе, воздействующим на напряжение холостого хода U_х.х сварочного трансформатора СТ через исполнительный элемент -- автотрансформатор АТ (управление автотрансформатором обеспечивается двигателем М₂ и редуктором q₂); с электрическим воздействием регулятора на питающую систему, где в качестве исполнительного элемента использован дроссель насыщения ДН.

Рис. 7.4. Функциональные схемы автоматического регулирования напряжения дуги с воздействием на питающую систему (АРП): а -- с механическим приводом в регуляторе; б -- с электрическим воздействием регулятора на питающую систему

Обмотка управления дросселя ДН запитана от тиристорного выпрямителя ТВ. Управление блоком ТВ выполняется по вертикальному принципу. В качестве опорного напряжения используется пилообразное напряжение U_п, вырабатываемое генератором пилы ГП. Импульсы управления тиристорами блока ТВ формируются блоком управления БУТ путем сравнения напряжения управления U_у и опорного напряжения U_п.

В обеих схемах реализована обратная связь по напряжению дуги. В цепь обратной связи входят: выпрямитель, суммирующий элемент СЭ, где выпрямленное напряжение дуги Uд сравнивается с напряжением уставки U_з, усилитель У сигнала рассогласования ДU_д=U_д--U_з.

7.2 Системы автоматического регулирования параметров дуги при сварке неплавящимся электродом

Особенность динамических процессов в сварочном контуре с неплавящимся электродом заключается в отсутствии эффекта саморегулирования длины дуги, свойственном системам с плавящимся электродом. Кроме того, в контуре с неплавящимся электродом напряжение дуги связано определенной функциональной зависимостью с длиной дуги:

,

где U_д --напряжение дуги, l_д --длина дуги, мм; I_св -- сварочный ток, А; а, и, с, d -- коэффициенты, учитывающие геометрические и физические особенности дуги

На практике используют два способа регулирования параметров дуги с неплавящимся электродом при действии возмущений в сварочном контуре: с помощью систем автоматического регулирования напряжения и длины дуги (системы типа АРНД) и с помощью автоматических регуляторов параметров питающей системы (регулятор типа АРП).

АРНД представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования с воздействием на пространственное положение электрода относительно поверхности изделия. Функциональная схема системы АРНД (рис. 7.5) состоит из сварочного контура источник питания - дуга - сварочная ванна и внешнего регулятора. В регулятор входит суммирующий элемент 1, в котором текущее напряжение дуги U_д сравнивается с заданным эталонным напряжением U_з. Разность ДU_д=U_з - U_д усиливается в блоках 2 и 3 по напряжению и мощности.

Рис. 7.5. Функциональная схема АРНД при дуговой сварке неплавящимся электродом

Усиленный по мощности сигнал питает исполнительный двигатель 4, который через редуктор 5 обеспечивает вертикальное перемещение сварочной горелки 6 до устранения рассогласования между U_д и U_з, т. е. до ДU_д = 0.

7.3 Системы автоматического регулирования контактной сварки

В связи с кратковременностью процесса контактной сварки в одном цикле обеспечить стабилизацию параметров режима и соответственно высокое качество сварных соединений без автоматического регулирования практически невозможно. САР должна в течение короткого времени (сотых долей секунды и менее) измерить регулируемую величину, сравнивая ее с уставкой, и выдать управляющий сигнал, обеспечивающий стабилизацию различных параметров режима сварки. Современные регуляторы состоят из сложных электронных узлов, различных по устройству и выполняемым функциям.

САР процесса контактной сварки в зависимости от параметров регулирования можно разделить на две большие группы: I - САР электрических параметров режима сварки; II -- САР физических параметров режима сварки.

К группе I относятся регуляторы сварочного тока I_cв, мощности Р_св и энергии W_св, падения напряжения между электродами ДU_эл. К группе II относятся регуляторы температуры t° околоэлектродной зоны и инфракрасного излучения, перемещения электродов Дh_эл под действием теплового расширения металла, электрического сопротивления R_дет участка цепи между электродами, частоты пульсации Дf_п при стыковой сварке. Возможны системы регулирования двух и более параметров, как электрических, так и физических (комбинированные САР).

Обобщенная функциональная схема САР по отклонению регулируемого параметра приведена на рис. 7.6. В схеме имеется отрицательная обратная связь по регулируемой величине, с помощью которой обеспечивается стабилизация параметра регулирования. Каждый регулируемый параметр процесса измеряется своим измерительным устройством. Выходной сигнал измерительного устройства в виде напряжения U_{и. у} подается на один из входов cумматора. На второй вход сумматора подается напряжение уставки U₀ (требуемое значение регулируемого параметра).

Рис. 7.6 Обобщенная функциональная схема САР контактной сварки по отклонению регулируемой величины

При действии на сварочную машину технологических возмущений по (напряжению сети), (сопротивлению сварочного контура), (диаметру электродов), (усилию сжатия), (сопротивлению в деталях) в процессе сварки измеренный регулируемый параметр U_{и. у} отличается от напряжения уставки U₀ по этому параметру. Сигнал рассогласования U_у между U _{и. у} и U₀ пропорционален регулирующему воздействию на контактную сварочную машину, с помощью которой устраняется рассогласование. При точечной и шовной контактной сварке сигнал рассогласования U_у представляет собой воздействие на фазорегулятор контактной машины. Фазорегулятор через сварочный контактор обеспечивает регулирование момента включения и выключения сварочного тока и его плавную регулировку.

При стыковой сварке оплавлением сигнал рассогласования представляет собой воздействие kДf_п на привод машины. Привод, воздействуя на подвижную плиту сварочной машины, регулирует момент осадки и скорость оплавления свариваемых деталей.

Регуляторы перемещения электродов под действием теплового расширения металла. В результате нагрева и расплавления металл в зоне сварки расширяется и раздвигает электроды машины. Исследованиями установлено, что между перемещением электродов и размерами зоны расплавления существует взаимосвязь, которая может быть использована при построении регулятора качества сварки. Расчеты и опыты показывают, что при отсутствии вдавливания электродов (одноосном расширении в вертикальном направлении) и нормальных размерах зоны расплавления приращение толщины деталей Д₀ от нагрева может составить 8-10% суммарной толщины свариваемых деталей. Параметр Д₀ вызывает перемещение ДS подвижной головки машины, измеряемое с помощью датчика перемещения ДП и преобразованное в пропорциональное напряжение. Таким образом, можно построить САР качества сварки по перемещению электродов сварочной машины (рис. 7.7).

Рис. 7.7. Функциональная схема САР по перемещению электродов с индуктивным датчиком

На выходе индуктивного датчика перемещения ДП вырабатывается напряжение U_д, пропорциональное перемещению электродов ДS. Напряжение U_д в блоке БС сравнивается с уставкой U_з, определяющей заданное программой перемещение электродов ДS. При рассогласовании между U_д и U_з на выходе блока БС вырабатывается сигнал управления U_у, который воздействует на блок управления БУ, изменяя ток сварочной машины. При уменьшении U_д сварочный ток увеличивается, а при увеличении -- уменьшается. При достижении фактического перемещения ДS заданного уровня при времени t_св ток выключается и процесс сварки прекращается.

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте системы автоматического регулирования энергетических параметров дуги при сварке плавящимся электродом.

2. Опишите принцип работы САР контактной сварки.

8. Системы программного управления

Системы программного управления сварочными процессами можно разделить на ряд групп по уровню их совершенства. Наиболее просты системы с жесткой программой и без обратных связей.

Они задают и осуществляют определенный последовательный цикл операций процесса и не содержат устройств для контроля результатов управления. Эти программы обеспечивают определенную последовательность операций включения и выключения отдельных узлов автомата. Их широко применяют в крупносерийном и массовом производствах.

На более высоком уровне стоят системы управления, изменяющие несколько параметров процесса по заранее разработанной жесткой программе уставок по этим параметрам. И в этом случае программирование из-за отсутствия информации о результатах управления не позволяет получить качественных сварных соединений при технологических возмущениях.

Наиболее перспективны в условиях действия технологических возмущений системы программного управления с обратными связями по программируемым параметрам. Обратная связь в таких системах реализуется с помощью датчиков, дающих в любой момент времени истинную информацию об изменении каждого параметра процесса. В этих системах обеспечивается режим гибкого программного управления. Они сложнее перечисленных выше систем, но обладают значительно большими возможностями в управлении процессом сварки, особенно в условиях действия случайных технологических возмущений.

8.1 Системы программного управления при дуговой сварке неплавящимся электродом

При разработке программ сварочного цикла важны выбор технологической схемы сварки, а также определение границ участков с одинаковыми параметрами режима. Это следует решать в зависимости от требований: нужно ли получить максимальную производительность, соблюсти определенный термический цикл или обеспечить выполнение процесса при минимальных изменениях режима.

Например, для кольцевого стыка труб из коррозионно-стойкой стали в широком диапазоне диаметров 40--400 мм и более, выполняемого автоматически аргонодуговой сваркой за несколько проходов, можно составить типовую программу последовательности сварочных операций, представленную циклограммой на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Типовая циклограмма аргонодуговой сварки неповоротного кольцевого стыка трубы

Здесь программа состоит из начального обдува НО соединения аргоном (5--10 с), включения контактора осциллятором ОСЦ и возбуждения основной дуги, обеспечивающей местный прогрев стыка (4--6 с), включения двигателя вращения автомата, обеспечивающего требуемую скорость сварки Удв, и наложения рабочего участка шва.

Конечная программа требует некоторого перекрытия П начала шва (8--10 с), заварки кратера ЗК, и заключительного обдува 30 стыка аргоном (10--15 с). После небольшой паузы (1--2 мин) по той же программе выполняется следующий проход шва. Подобная программа может быть применена и для прямолинейного шва.

Функциональная схема устройства, выполняющего рабочую программу аргонодуговой сварки неповоротного стыка трубы, показана на рис. 8.2.

Рис. 8.2. Функциональная схема устройства, выполняющего рабочую программу аргонодуговой сварки неповоротного стыка трубы

На схеме выполнено программирование семи рабочих параметров: тока сварки I_св, давления аргона в зоне сварки Р_Ar, частоты вращения детали О, угла отклонения сварочной горелки от вертикали а, скорости подачи присадочной проволоки V_пр, перемещения сварочной горелки по координатам х и у. Блоки программирования БП₁--БП₂ перечисленных параметров можно выполнять типовыми, а в качестве элементов этих блоков применять электромеханические реле, электронные лампы, тиратроны с холодным катодом, полупроводниковые приборы и интегральные схемы.

Связь блоков программирования по каждому параметру режима сварки с соответствующими исполнительными органами, источником питания ИП, приводами П обеспечивается через типовые усилители мощности УМ. Для реализации программы во времени периметр стыка трубы разбивают на определенное число участков, причем каждому участку соответствует нужное значение параметра режима сварки, задаваемое программаносителем, например, регулируемым резистором.

Все блоки программы БП₁--БП₇ могут быть объединены в единый блок-канал информации (КИ). Задание программ и логические операции над ними в блоке КИ происходят по цепям малой мощности. Для разделения цепей малой мощности с силовыми цепями исполнительных органов используют типовые усилители мощности УМ.

8.2 Системы программного управления при дуговой сварке плавящимся электродом

Программное управление сварочным циклом при сварке флюсом. Циклограмма работы автомата для сварки под флюсом показана на рис. 8.2, а.

Рис. 8.3. Циклограмма работы (а) и функциональная схема (б) системы управления циклом работы автомата для сварки под флюсом электродной проволокой.

Цикл начинается с операции «Возбуждение дуги». Для надежного возбуждения дуги применяют способ отрыва конца электродной проволоки от свариваемого изделия в момент включения сварочного напряжения на автомате источнике питания. Перед началом сварки конец электродной проволоки подводят к детали до получения с ней электрического контакта. При включении автомата появляется сварочное напряжение между свариваемым изделием и электродной проволокой и запускается двигатель механизма подачи, который начинает отводить конец электродной проволоки от детали, возбуждая дугу. По мере отвода конца электродной проволоки напряжение на дуге возрастает, и когда оно достигает определенной величины, двигатель реверсируется и начинает подавать электродную проволоку в зону дуги. Время этой операции на циклограмме обозначено t₁.

После возбуждения дуги начинается операция «Сварка», во время которой в зону дуги подается электродная проволока и перемещается сварочная каретка. Длительность операции, обозначенная на циклограмме t2, зависит от длины шва и скорости сварки. После окончания операции «Сварка» происходит растяжка дуги, осуществляется она путем прекращения подачи электродной проволоки в зону дуги без выключения сварочного напряжения. Под действием напряжения дуга продолжает гореть, и конец электродной проволоки оплавляется, растягивая дугу до тех пор, пока она не оборвется. При обрыве дуги выключается сварочное напряжение. Время операции «Растяжка дуги» обозначено на циклограмме t3

На рис. 8.3, б представлена функциональная схема системы управления циклом сварки. При замыкании выключателя S через реле включения контактора РВК включается контактор источника питания КИП, подавая сварочное напряжение на электрод. В это же время с помощью системы управления электроприводом подачи проволоки СУЭП и устройства реверса двигателя УРД запускается двигатель подачи проволоки ДПП. Конец электродной проволоки отводится от детали, дуга возбуждается, и напряжение на ней (Уд начинает увеличиваться. Через схему совпадения И напряжение дуги подается на пороговое устройство ПУ, которое срабатывает при достижении напряжением заранее установленного значения. Сработав, пороговое устройство запускает через систему управления электроприводом каретки СУЭК двигатель перемещения каретки ДПК и с помощью устройства реверса УРД реверсирует ДПП. С этого момента начинается подача электродной проволоки в зону дуги и происходит сварка.

По окончании сварки элемент S выключают, и двигатель ДПП останавливается, прекращая подачу проволоки. Останавливается также и двигатель ДПК, так как пороговое устройство вернулось в исходное состояние из-за снятия сигнала со входа схемы И выключателем S. Контактор КИП продолжает оставаться включенным, потому что РВК снабжено устройством задержки на отпускание УЗО. Происходит растяжка дуги. По истечении времени t₃, определяемого УЗО, реле РВК обесточивается, и контактор КИП отключает сварочное напряжение. На этом цикл работы заканчивается.

8.3 Программное управление процессами контактной сварки

В большинстве контактных машин с механизированным приводом применяют программное управление для автоматизации процесса сварки.

Примером машин с программным управлением процессом сварки могут служить серийные точечные машины с пневматическим приводом, снабженные четырехпозиционным тиристорным регулятором времени РЦС-403. В этих машинах при нажатии педальной кнопки автоматически по заданному циклу совершается определенная последовательность операций: сжатие, сварка, проковка, пауза. При нажатой педальной кнопке, после определенной выдержки времени (пауза для перемещения детали или электродов), цикл сварки повторяется в той же последовательности.

На рис. 8.4 представлена циклограмма такого процесса. Программируемыми параметрами здесь являются длительность перечисленных операций, закон изменения давления Р и сварочного тока I_св.

Рис. 8.4. Циклограмма процесса точечной контактной сварки.

Рис. 8.5. Функциональная схема регулятора времени РЦС_403

В схеме последовательно включены четыре (1--4) элемента задержки Т-303, работающих по циклу «Сжатие», «Сварка», «Проковка», «Пауза». На операции «Сверка» возможно регулирование действующего значения сварочного тока с помощью фазовращателя 5, в котором также используется элемент Т-303. Последний обеспечивает появление выходного сигнала с задержкой на время Дt после подачи входного сигнала. Сигнал на выходе пропадает одновременно с исчезновением входного сигнала. Выдержку времени элемента можно регулировать с помощью переменного резистора К и конденсатора С, входящих в схему элемента Т-303. Для получения синхронного включения сварочного тока и блокировки в процессе работы регулятора в схеме используют триггеры T₁--T₄ (элементы Т-102) и схемы совпадения И₁--И₃ (элементы Т-107, М-111). Выходными устройствами служат усилители У^ и Уд (элементы Т-404).

После включения регулятора в сеть триггеры Т₁--Т₄ занимают исходные положения. При этом на вход У₁ не поступает напряжение, через клапан ЭПК не проходит ток, и электроды машины находятся в исходном положении. Импульсы с фазовращателя 5 через диод V₃ и триггер T₃ шунтируются на общий провод и на вход У₁ не поступают. На выходе У₂ нет импульсов включения тиристоров контактора. На вход элемента задержки 4 (операция «Пауза») поступает напряжение с выхода У₂ триггера Т₁, и по окончании операции «Пауза» - оно появляется и на выходе элемента 4, но дальше через разомкнутые контакты педали не подается. На входах элементов 1--3, реализующих задержку времени на операциях «Сжатие», «Сварка», «Проковка», напряжение отсутствует. При замыкании контактов S педали напряжение элемента 4 поступает через диод V₂ на вход х₂ триггера T₁ и открывает его. При этом пропадает напряжение на входе и выходе элемента 4 и появляется напряжение на входе У₁ и на входе элемента задержки 1, обеспечивающего выдержку времени на операцию «Сжатие». Электрод опускается. Через установленный промежуток времени на выходе элемента 1 появляется напряжение, которое поступает на схему совпадения И1. На схему И1 поступает также напряжение с триггеров Т4 и Т2. Триггер Т2 выдает напряжение с частотой 50 Гц, согласованное по фазе с напряжением питания сети. Со схемы И1 напряжение с частотой 50 Гц поступает на вход х₂ триггера Т₃. Триггер Т₃ срабатывает, и напряжение с его выхода у₂ поступает через схему И₂ на вход элемента задержки 2, обеспечивающего выдержку времени на операцию «Сварка». Одновременно напряжение триггера Т₃ закрывает диод V₃, и на вход усилителя У₂ с фазовращателя 5 начинают поступать импульсы. На выходе усилителя У₂ формируются управляющие импульсы, открывающие тиристоры сварочного контактора. По окончании операции «Сварка» на выходе элемента задержки 2 появляется напряжение, которое через диод V₅ поступает на вход триггера Т₄. Триггер Т₄ переходит в другое устойчивое положение и с его выхода поступает напряжение на схему И₃ и на вход элемента задержки 3, обеспечивающего выполнение операции «Проковка». На схему И₃ поступает также напряжение с триггера Т₂ с частотой 50 Гц. Выходное напряжение схемы И₃ перебрасывает триггер Т₃ в первоначальное состояние, и диод V₃ снова шунтирует на общий провод импульсы, поступающие с фазовращателя 5. Ток сварки прекратится.

Далее, через промежуток времени, определяемый выдержкой времени на элементе 3 (операция «Проковка»), на его выходе появляется напряжение, которое через диод V₁ поступает на вход x₁ триггера T₁ и переводит его в исходное состояние. При этом снимается напряжение на входе У₁ и на входе элемента задержки 1 (операция «Сжатие»), электропневматический клапан (ЭПК) выключается; поднимаются электроды. На вход элемента задержки 4 (операция «Пауза») и вход триггера Т₄ подается напряжение выхода y₂ триггера T₁, элементом задержки 4 отрабатывается операция «Пауза».

По окончании этой операции напряжение с выхода элемента 4 поступает через диод V₂ на вход х₂ триггера T₁. При этом, если контакты педали S замкнуты, то цикл сварки повторяется.

Контрольные вопросы

1. На какие группы можно разделить системы программного управления сварочными процессами?

2. Какие системы программного управления сварочными процессами являются наиболее перспективными в условиях действия технологических возмущений?

3. Что понимается под программным управлением?

9. Системы пространственной ориентации рабочего органа при сварке и резке

9.1 Системы ориентации электрода по стыку при аргонодуговой сварке криволинейных поверхностей

В практике сварки часто встречаются криволинейные плоские швы, например, кольцевые швы некруглой формы и продольные стыки на поверхностях вращения с криволинейной образующей в вертикальной плоскости. Для сохранения заданного режима при сварке таких профилей конец электрода должен описывать эквидистантную кривую (штриховая линия) в плоскости профиля, с тем, чтобы в любой точке сварки длина дуги поддерживалась постоянной.

Рис. 9.1. Перемещения сварочной горелки при сварке деталей с криволинейной образующей в вертикальной плоскости: а -- неповоротных; б -- поворотных. щ -- угловая скорость поворота изделия; с_i -- радиус i-й точки контура относительно центра вращения; б_i -- угол, образованный направлением вектора скорости V_г или Vц и касательной в i-й точке свариваемого профиля.

Сварочная горелка должна поворачиваться в этой плоскости относительно точки сварки для сохранения заданного угла наклона электрода в к поверхности, на которой сваривается шов. При этом стабилизируются условия подачи присадочной проволоки и защиты сварочной ванны аргоном.

Скорость горизонтального перемещения сварочного инструмента V_г при сварке продольных криволинейных поверхностей или трансверсальная скорость V_ц при сварке кольцевых некруговых швов должна изменяться так, чтобы результирующая скорость V_св, получаемая путем геометрического сложения V_г и V_в или V_ц и V_в в любой точке A_i сварки была постоянной и равной заданной по режиму.

Итак, при сварке указанных профилей необходимо выполнить три условия:

lд = const; в=const; V_св=const.

В общем случае соответствующие скорости должны изменяться следующим образом:

V_в=V_свsin б_i; V_г=V_ц=V_свcosб_i

Сварочный автомат АГК-1 предназначен для аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом деталей из коррозионно-стойких сталей и жаропрочных сплавов током до 300 А с применением присадочной проволоки.

В основу конструкции автомата положен принцип решения тригонометрических уравнений с помощью следящей системы, одним из элементов которой является синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ) и электронная схема автоматического регулятора длины дуги (АРНД).

Рис. 9.2. Функциональная схема автомата АГК-1 с системой слежения за профилем детали.

Система автоматического регулирования длины дуги обеспечивает постоянство последней с помощью устройства, реагирующего на изменение напряжения сварочной дуги, которое пропорционально длине дуги. Необходимое напряжение дуги U_з на сумматоре R1, R2 непрерывно сравнивается с действительным (сглаженным фильтром ФС) напряжением U_д. Разность напряжений повышается усилителем У₁ и подается на привод вертикального перемещения сварочной горелки СГ. Двигатель М₁ этого привода в зависимости от поступающего сигнала через редуктор q₁ поднимает или опускает СГ. Последняя движется до тех пор, пока разность напряжений не станет равной нулю.

При отработке разности напряжений системой автоматического регулирования длины дуги принудительно обеспечивается возвратно-поступательное движение электрода с определенной скоростью V_в, зависящей от скорости сварки и кривизны свариваемого профиля:

V_в=V_свsin б_i

9.2 Системы ориентации рабочего органа при сварке криволинейного плоского стыка

Для решения данной задачи можно использовать следующие способы:

1. Применение систем цифрового программного управления с записью кривизны стыка или программы позиционного перемещения рабочего органа в цифровом коде.

2. Слежение за криволинейным стыком с помощью программирующей и отрабатывающей следящих систем, работа которых объединена между собой через запоминающее устройство (ЗУ), синхронизированное со скоростью сварки. В качестве задатчика сигнала управления в программирующей следящей системе можно использовать телевизионные, фотоэлектрические или электромагнитные датчики положения стыка, работающие непосредственно по линии стыка с опережением на длине l от рабочего органа (сварочной горелки).

3. Слежение за кривизной стыка с помощью фотоэлектрического датчика, работающего по программной линии, наносимой специальными методами эквидистантно линии стыка.

4. С помощью автоматического устройства, содержащего привод разворота датчика стыка, жестко связанного со сварочной горелкой стержнем длиной l, и привод корректирующего перемещения сварочной горелки, пропорционального кривизне трактрисы линии стыка. |

Решение 1-ой задачи предполагает обеспечение программного управления позиционным и контурным движением сварочного рабочего органа с использованием режима обучения при подготовке программы. Этот способ весьма перспективен при многослойной дуговой и электронно-лучевой сварке, при массовом производстве однотипных деталей дуговой и контактной сваркой.

Системы программного управления положением или позиционного программного управления (ППУ) обеспечивают управление последовательными положениями изделия и (или) сварочного рабочего органа. Системы программного управления движением или контурного программного управления (КПУ) обеспечивают одновременное согласованное перемещение детали и (или) сварочного рабочего органа в двух и более координатах с целью изменения его положения относительно детали по любой траектории с заданной скоростью.

Системы КПУ сложнее, чем ППУ, так как в последних траектория и скорость перемещения из любого положения в последующее могут быть произвольными и не влияют на сварочный процесс. В то же время системы КПУ более универсальны и их можно применять также для управления положением, тогда как системы ППУ в общем случае невозможно использовать для управления движением, и применяют их только для управления положением.

Системы ППУ пригодны для автоматизации контактной точечной сварки, приварки выводов микромодулей к платам с печатным монтажом, сварки электрозаклепками, сварки коротких швов в разных пространственных положениях. Системы КПУ предназначены для автоматизации дуговой и электронно-лучевой сварки швов сложной формы, наплавки сложных кромок и поверхностей, а также для резки газовым пламенем, плазмой и т. д. Система цифрового программного управления движением состоит из систем подготовки и отработки программы (последняя система обычно на базе шаговых двигателей).

Наиболее распространенный метод подготовки программы для систем цифрового программного управления движением состоит из следующих операций: расчета на ЭВМ координат последовательных опорных точек траектории движения (по данным чертежа детали и технологии обработки); интерполяции полученных данных на интерполяторе (кодовом преобразователе), который либо входит в схему управления установкой, либо размещен отдельно.

Контрольные вопросы

1. Каковы особенности сварки кольцевых швов некруглой формы и продольных стыков на поверхности вращения с криволинейной образующей?

2. Какие условия необходимо выполнять при сварке кольцевых швов некруглой формы и продольных стыков на поверхности вращения с криволинейной образующей?

3. Опишите принцип работы автомата с системой слежения за профилем детали.

4. Какие способы можно использовать при разработке системы ориентации рабочего органа при сварке криволинейного плоского стыка?

10. Кибернетические системы управления

10.1 Самонастраивающиеся и экстремальные системы

Рассмотренные системы автоматического регулирования рассчитаны на воспроизведение заблаговременно заданного закона управления сварочной машиной. Трудоемкость выбора оптимального закона управления, программы регулирования для каждого типоразмера свариваемых деталей и характеристик оборудования, необходимость перестройки аппаратуры управления с переходом к сварке других деталей создают известные неудобства при использовании простейших одноконтурных систем автоматического регулирования. Возникает необходимость разработки новых САР, способных самостоятельно изменять свою настройку или алгоритм работы с целью оптимизации сварочного процесса, что могут обеспечить только самонастраивающиеся системы автоматического регулирования.

По своему назначению эти системы могут быть с самоизменяющимися уставкой, программой, параметрами, структурой и самообучающимися. Главное отличие систем автоматического поиска (САП) от САР состоит в том, что с помощью САП анализом состояния системы в данный момент времени невозможно определить требуемое направление изменения, приводящего систему в состояние, удовлетворяющее заданным условиям. В этих системах направление движения определяется автоматическим поиском.

Для определения этого направления необходимо контролировать изменения регулирующего воздействия v, если они имеются в системе, или даже специально их вводить и анализировать изменение регулируемой величины ц, являющееся следствием изменения v. Сравнением величин или знаков приращений v и ц можно привести систему в требуемое состояние. При этом зависимость v = f(ц) должна иметь экстремум в точке, соответствующей оптимальному режиму или близкой к нему.

...