Система управления технологическим процессом электросварки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Система управления технологическим процессом электросварки

Аннотация

Разработана и исследована система эффективного управления процессом аргонодуговой электросварки, обеспечивающая надежное поддержание дугового промежутка в условиях неидеальности геометрических размеров свариваемых тонкостенных алюминиевых трубчатых изделий.

Ключевые слова: регулятор напряжения дуги, субоптимальная двухкритериальная система управления, регулятор релейный.

В современных сварочных автоматах - как универсальных, так и специализированных - широко применяются системы автоматического регулирования параметров электрической дуги.

Все типы дуговых автоматов построены по принципу: источник - автомат - дуга - шов и образуют замкнутую динамическую систему (система И-А-Д-Ш). Наибольшее распространение в технике получили автоматические системы для сварки неплавящимся электродом с искусственной обратной связью по напряжению дуги типа АРНД (автоматический регулятор напряжения дуги) [1, 2]. Их работа основана на стабилизации длины дуги путем измерения напряжения дуги. В современной практике система АРНД содержит два контура регулирования с двумя обратными связями: по скорости исполнительного двигателя и по напряжению дуги, измеряющего величину зазора между электродом и свариваемой деталью, который и определяет длину дуги [3]. При сварке на малых токах нарушается линейная зависимость между напряжением дуги и ее длиной. В этих случаях для стабилизации напряжения дуги используются автоматические регуляторы длины дуги АРДД. В таких системах необходимо получение информации с помощью специального датчика. На практике применяют пневматические и фотоэлектрические датчики. Общим недостатком систем АРДД является несовпадение места измерения с местом сварки и неучет изменения длины вылета электрода в процессе сварки. Все эти системы нуждаются в предварительной настройке после каждого изменения длины вылета, например в результате перестановки электрода или его расходования.

В промышленность внедрены системы АРНД релейного, непрерывного и импульсного действия. Релейные системы обладают достаточным быстродействием и относительно просты конструктивно, но они имеют существенный недостаток - пониженную точность регулирования. Точность стабилизации напряжения дуги у непрерывных и импульсных систем АРНД несколько выше, но в силу низкого быстродействия они не позволяют получить высокое качество свариваемых изделий и заданную производительность оборудования в условиях различного рода возмущений (наличия изгибов, неровности поверхностей свариваемых изделий, овальностей, люфтов в механизме перемещения электрода и возмущений иного порядка, которые всегда имеют место в реальности), что приводит либо к снижению качества сварки, либо к короткому замыканию электродов, либо к резкому уменьшению глубины проплавления, а нередко и к срыву горения дуги [1, 4].

Для обеспечения стабильности параметров шва разработана и исследована на действующем оборудовании - установке УСК-22М система управления, субоптимальная по совокупности двух критериев качества: критерию быстродействия (при больших отклонениях выходной координаты от своего заданного конечного значения) и интегральному квадратичному функционалу (при больших и малых отклонениях). Ее блок-схема представлена на рис. 1.

Рис. 1. Блок-схема субоптимальной двухкритериальной системы автоматического регулирования напряжения дуги:

1 - механизм перемещения электрода; 2 - электродвигатель; 3 - датчик скорости вращения вала электродвигателя; 4 - датчик измерения длины дуги; 6 - свариваемая деталь; 5 - суммирующее устройство; 7 - задатчик; 8 - сумматор; 9 - релейный регулятор с зоной нечувствительности

Субоптимальная двухкритериальная система, в отличие от применяемых в настоящее время, содержит релейный регулятор с зоной нечувствительности 9, на входе которого действует алгебраическая сумма трех сигналов - с задатчика 7, с датчика скорости 3 и датчика длины дуги 4. При изменении длины дуги в процессе сварки система максимально быстро вводит электрод (горелку) в зону нечувствительности регулятора, обеспечивая устранение статической ошибки в зоне по ПД (пропорциональному-дифференциальному) закону. Она обладает высоким быстродействием вследствие того, что выходной сигнал релейного регулятора, являющийся управляющим сигналом для электродвигателя 2, изменяется практически мгновенно, "скачком".

Подобным соединением элементов реализован закон управления в системе следующим образом: свариваемый трубчатый аргонодуговой

(1)

где - сигнал, реализующий функцию переключения релейного регулятора; - постоянный коэффициент; - выходные сигналы датчиков длины дуги и скорости; - выходной сигнал задатчика (заданное конечное значение регулируемой координаты ); - величина половины зоны нечувствительности релейного регулятора; - знаковая функция, равная +1 или -1 в зависимости от знака функции ; - величина управляющего воздействия ("полка" реле) - сигнал с выхода релейного регулятора; - сигнал, формируемый по закону ; и - постоянные коэффициенты.

Закон управления реализован на микроконтроллере типа ATmega8 фирмы Atmel. В качестве датчика скорости 3 использован тахогенератор, датчик измерения длины дуги 4 при испытаниях микроконтроллерной системы реализован так же, как и в установке УСК-22М. Это RС-цепь, подключенная к источнику постоянного тока сварочной установки. Напряжение дуги, снимаемое с RC-цепи, находится в линейной зависимости от длины дуги. Силовая часть управления реализована на стандартном элементе типа OPA544Т фирмы BURR-BROWN (мощный операционный усилитель).

В момент включения системы на входе релейного регулятора 9 формируется сигнал с выхода сумматора 8 (, где , и - сигналы соответственно с задатчика 7, датчиков 3 и 4, действующие на входе сумматора 8), воздействующий на регулятор 9. Выходной сигнал регулятора 9 суммируется в устройстве 5 с сигналом и воздействует на управляемый электродвигатель 2, который через механизм перемещения электрода 1 движет электрод к свариваемой детали 5. Коэффициент настраивается в сумматоре 8 таким образом, чтобы в устройстве в момент начала горения дуги возникал скользящий режим движения. В результате механизм перемещения электрода 1 приближает электрод к детали 6 на так называемой "ползучей скорости", без перерегулирования, и останавливает его, когда сигнал достигает значения зоны нечувствительности релейного регулятора 9. Релейный регулятор 9 отключается, и на входе электродвигателя 2 через суммирующее устройство 5 теперь действует только сигнал , сформированный в процессе движения механизма перемещения электрода 1 к свариваемой детали 6. Этот сигнал обеспечивает сведение разности выходных сигналов с задатчика 7 и датчика измерения длины дуги 4 к нулю при действии "малых" возмущений (в зоне нечувствительности релейного регулятора 9). При изменении длины дуги за счет действия возмущений, превышающих зону нечувствительности релейного регулятора 9, последний своим выходным сигналом, воздействующим на электродвигатель 2, возвращает электрод (горелку) в исходное состояние максимально быстро, поскольку на входе электродвигателя скачком формируется предельно возможное входное воздействие.

На рис. 2 и рис. 3 представлены осциллограммы переходных процессов в системах стабилизации напряжения дуги.

Время регулирования разработанной системы составляет ~1 c, что в полтора раза меньше, чем в существующей импульсной системе, применяемой на установке УСК-22М. Алгоритм функционирования управления U реализует закон (1). Исполнительный механизм перемещает электрод из заданного начального состояния в конечное состояние за одно переключение управления, а в зоне нечувствительности действует единственный сигнал U1, который устраняет рассогласования между напряжением дуги и сигналом задания.

На рис. 4 и рис. 5 приведены сравнительные испытания процессов стабилизации напряжения дуги при сварке тонкостенной алюминиевой трубы, искривленной под углом 20є.

Последние осциллограммы сняты в установочных режимах автоматической аргонодуговой сварки соединения встык без присадки: сварочный ток 80 А, скорость сварки 15 м/ч, длина дуги 1 мм и расход аргона 4 л/мин. При испытаниях импульсного управления двигателем погрешность стабилизации напряжения дуги ±0.4 В без учета неустойчивого поведения системы, а при субоптимальном двухкритериальном управлении погрешность ±0.1 В. Качество стабилизации напряжения дуги субоптимальной двухкритериальной системой соответствует требованиям производственной инструкции "Сварка дуговая алюминиевых и магниевых сплавов в среде защитных газов" (ПИ 1.4.1555-2000). Зафиксированное осциллографом максимальное отклонение напряжения дуги без ее стабилизации при сварке алюминиевых труб составило ± 1.5 В.

Таким образом, разработанный алгоритм управления, обеспечивая высокое быстродействие системы и высокую точность стабилизации напряжения дуги, позволяет надежно поддерживать дуговой промежуток в условиях неидеальности геометрических размеров свариваемых тонкостенных алюминиевых трубчатых изделий.

Библиографический список

1. Гладков Э.А. Управление процессами и оборудованием при сварке: Учеб. пособие для студ. вузов. - М.: Академия, 2006. - 432 с.

2. Сварка в машиностроении / Под ред. Ю.Н. Зорина. - М.: Машиностроение, 1979. - Т.4. - 512 c.

3. Оборудование для дуговой сварки: Справ. пособие / Под ред. В.В. Смирнова. - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд., 1986. - 656 c.

4. Стеклов О.И. Основы сварочного производства. - М.: Высш. школа, 1981. - 160 с.

Размещено на Allbest.ru