Файл: Севбо П.И. Комплексная механизация и автоматизация сварочного производства.pdf

положно друг другу. В некоторых случаях вдавливание может быть настолько велико, что практически эффект перемещения электро­ дов наблюдаться не будет. Особенно сильно вдавливание сказывае­ тся при сварке алюминиевых сплавов. При сварке сталей вдавли­ вание сравнительно невелико.

Регуляторы скорости оплавления (при стыковой сварке). В ма­ шинах для стыковой сварки оплавлением основной задачей автома­ тизации сварочного процесса является поддержание устойчивого оплавления торцов свариваемых деталей, не допуская при этом ни коротких замыканий, ни разрывов. Большинство машин строится на принципе естественного саморегулирования процесса оплавле­ ния. Однако, как показали работы С. И. Кучук-Яценко [20] и дру­ гих, при сварке изделий с большим поперечным сечением во многих случаях саморегулирование оказывается недостаточным и не мо­ жет обеспечить устойчивости оплавления. Поэтому современные машины для стыковой сварки непрерывным оплавлением снаб­ жаются автоматическими регуляторами, предотвращающими пере­ ход оплавления в короткое замыкание и, следовательно, обеспечи­ вающими устойчивость всего процесса оплавления (краткосрочные разрывы легко компенсируются сближением торцов и возобновле­ нием процесса оплавления).

По характеру регулирующего воздействия эти регуляторы раз­ деляются на две группы: регуляторы скорости оплавления; регу­ ляторы напряжения.

Р е г у л я т о р ы с к о р о с т и оплавления автоматически корректируют скорость подачи (сближения) деталей в зависимости от тока в сварочной цепи: чем больше ток, тем должна быть меньше скорость подачи, иначе произойдет короткое замыкание. Поэтому регулятор меняет скорость в функции тока. Регулятор позволяет также автоматически возобновить процесс оплавления после ко­ роткого замыкания деталей, возникшего по причинам случайного характера.

Эффективность действия регулятора скорости в значительной мере зависит от инерционности привода подачи и всех подвижных частей машины. Замыкание деталей при оплавлении можно преду­ предить лишь в том случае, если снижение скорости в этот момент будет происходить достаточно быстро. В противном случае (при за­ паздывании) регулятор скорости будет только реверсировать при­ вод после замыкания, т. е. работать в режиме прерывистого подо­ грева, а не непрерывного оплавления.

Из двух наиболее распространенных приводов — механического и гидравлического — наименьшей инерционностью и наивысшей точностью в отработке получаемых сигналов обладает гидропри­ вод, снабженный силовыми цилиндрами, особенно следящий гид­

164

ропривод с обратной связью по перемещению подвижной плиты машины. Следящий гидропривод используется в стыковых машинах К-190, К-155 и других (ИЭС им. Е. О. Патона) и устойчиво рабо­ тает даже при самых низких скоростях перемещения 0,1— 0,08 ммісек [45]. Применение следящего гидропривода открывает большие возможности для комплексной автоматизации процесса сварки и для программирования таких параметров, как скорость и путь перемещения при оплавлении и при осадке.

Регуляторы напряжения (при стыковой сварке). Регуляторы на­ пряжения при стыковой сварке непрерывным оплавлением повы­ шают тепловой к. п. д. машины до максимально возможного зна­ чения. Наибольший тепловой к. п. д. оплавления получается в том случае, когда в любой момент времени напряжение близко к мини­ мально возможному значению. Так как условия сварки практи­ чески не могут быть строго стабильными, то оплавление при мини­ мальном напряжении возможно лишь с помощью обратной связи, корректирующей программу напряжения по току в сварочной цепи. Наибольший эффект дают регуляторы напряжения, обладающие минимальной инерционностью. Этому требованию удовлетворяет игнитронный регулятор напряжения, разработанный в ИЭС

сварочных машин на трассе, использование такого регулятора за­ труднительно. Для таких машин приходится применять более про­ стые схемы, в которых понижение напряжения производится с помощью контактного устройства переключением ступеней авто­ трансформаторов.

Самонастраивающиеся системы управления. В последние годы в сварочной технике все большее развитие приобретают кибернети­ ческие самонастраивающиеся системы управления, являющиеся высшей формой автоматизации технологического процесса. Их по­ явление и развитие в сварочной технике обусловлено тем, что в обычных системах жесткого программного управления, как прави­ ло, заранее заданная программа является оптимальной только для определенных условий эксплуатации сварочной машины. При слу­ чайных изменениях условий работы эта программа оказывается уже не оптимальной, что естественно отражается и на качестве сварного соединения. Для ответственных сварных изделий с высо­ кими требованиями, предъявляемыми к качеству сварки и его ста­ бильности, такие системы жесткого управления могут оказаться неприемлемыми.

Что же касается рассмотренных выше систем управления с ав­ томатической компенсацией возмущений и обратными связями, т. е.

165

ие имеющих жесткой программы, то для стыковой сварки особо ответственных изделий их также нельзя признать идеальными. В. П. Кривонос, Н. В. Подола и другие [17] доказали, что системы с обратной связью по одному из электрических параметров режима сварки — сварочному току, напряжению на электродах, сопротив­ лению контакта, либо энергии, выделяющейся в контакте,— не обес­ печивают полного воспроизведения заданного режима сварки при колебаниях напряжения сети и изменении сопротивления машины.

Впротивоположность этим системам и обычным программным самонастраивающаяся система регулирования автоматически изме­ няет программу работы машины— перенастраивается в зависимос­ ти от действующих возмущений и таким образом восстанавливает оптимальный режим работы для изменившихся условий эксплуата­ ции. Этот процесс автоматической оптимизации программы и яв­ ляется отличительной особенностью самонастраивающихся систем автоматического управления и регулирования.

Вкачестве примера подобной системы можно привести разра­ ботанную в ИЭС им. Е. О. Патона применительно к стыковой свар­ ке непрерывным оплавлением самонастраивающуюся систему управ­ ления, автоматически обеспечивающую стабильность качества свар­ ных соединений при изменяющихся условиях работы сварочного оборудования [17]. Для оптимизации процесса сварки система управления стыковой машиной снабжена двумя автономно действу­ ющими устройствами: экстремальным регулятором частоты пульса­ ций сварочного тока, устанавливающим скорость оплавления де­ талей *, аналоговым вычислительным устройством, определяющим

необходимый припуск деталей на оплавление и осадку методом вы­ числения в реальном масштабе времени распределения температур­ ного поля в свариваемых деталях.

Для экстремального регулирования процесса оплавления при­ менена замкнутая импульсная система с оптимизатором типа ЭРА.

Так как в начальной стадии процесса оплавления частота пуль­ саций тока не является непрерывной функцией скорости подачи, то оптимизатор должен включаться в работу после возбуждения процесса оплавления. Для устранения возможных коротких замы­ каний сварочной цепи в начальной стадии оплавления предусмотре­ но формирование команды на ограничение скорости вплоть до ре­ верса при возникновении в сварочной цепи тока, не модулированно­ го высокочастотными пульсациями.

В соответствии с этим разработан экстремальный регулятор частоты пульсаций тока с использованием стандартных операцион­

* При непрерывном оплавлении частота пульсаций сварочного тока является функцией скорости оплавления.

166

ных усилителей типа У-1. В нем предусмотрены: автоматическое включение регулятора в работу после возбуждения оплавления, задание начальной скорости подачи перемещения плиты и направ­ ление первого шага, возврат схемы в исходное состояние после окон­ чания сварочного цикла и контроль исправности всех блоков ре­ гулятора.

Описанная самонастраивающаяся система управления была исследована в лаборатории и в производственных условиях. При этом за критерий оценки правильности выбора программы ско­ рости перемещения плиты машины, автоматически устанавливаемой оптимизатором, приняты: непрерывность процесса оплавления, а также величина и стабильность зоны нагрева деталей к моменту осадки, обеспечивающие получение сварных соединений требуемого качества и стабильность качества, независимо от различных воз­ мущений процесса сварки.

Испытания производились при сварке деталей из углеродистых сталей с развитым сечением (от 200 до 12 500 мм2), в частности при сварке магистральных трубопроводов на стыковых машинах типа ТКУС.

Испытания показали, что программа перемещения плиты маши­ ны (подачи оплавляемой детали), устанавливаемая экстремальным регулятором частоты пульсаций тока, при вычисленных значениях припусков на оплавление и на осадку (путем анализа теплового поля в деталях) обеспечивает стабильные механические свойства сварных соединений.

К категории самонастраивающихся систем управления можно отнести и рассмотренный выше регулятор энергии, основанный на применении вычислительной техники.

Наряду с указанными выше преимуществами самонастраиваю­ щихся систем следует отметить и их недостаток, заключающийся

вструктурной сложности схемы и ее конструктивных узлов.

Сувеличением сложности схемы растет количество взаимодей­ ствующих элементов и, следовательно, падает степень надежности системы. Дублирование же элементов как средство повышения степени надежности сильно удорожает всю систему и делает сом­ нительной ее экономическую целесообразность. Поэтому, несмотря на высокую степень автоматизации, обеспечиваемую кибернетиче­ скими самонастраивающимися системами управления, применение их в сварочной технике может быть оправдано лишь в тех случаях, когда более простая система, например система жесткого програм­ много управления или система с обратными связями, не может обеспечить требуемого качества сварки и высокой его стабильности. Такие требования обычно предъявляются к особо ответственным сварным конструкциям, для которых стоимость изготовления и

167

эксплуатации сварочного оборудования не имеют существенного значения, а на первый план выдвигаются требования высокого ка­ чества и гарантия его стабильности.

Метод математического моделирования. Повышенные требования, предъявляемые к качеству ответственных сварных соединений, могут быть удовлетворены лишь при условии оптимального управ­ ления сварочными процессами, которое предполагает возможность осуществлять количественные прогнозы и непрерывный контроль качества сварного соединения в процессе сварки, а также оптими­ зацию самого процесса.

С этой точки зрения весьма перспективно новое направление в автоматизации сварочных процессов, основанное на таком тезисе: чтобы управлять сварочным процессом с помощью современных средств автоматики, необходимо на основе физических представле­ ний формализовать задачу, т. е. описать ее достаточно точными ма­ тематическими зависимостями. При этом объект управления заме­ няется математической моделью, отражающей те особенности про­ цесса, которые существенны для управления им, несущественные — с доказанной несущественностью при заданных кондициях процес­ са — отбрасываются.

Вывод соответствующих уравнений производится на основе экспериментально-статистических исследований и зависимостей кри­ терия качества от параметров технологического процесса.

Такая математическая модель может быть использована для про­ гнозирования качества выпускаемой продукции и оптимального управления процессом. В нашем случае это должна быть математи­ ческая модель сварочного процесса, описывающая зависимость качества сварки или сварного шва от параметров сварочного процес­ са. Например, для контактной точечной сварки, критерием каче­ ства которой может служить размер ядра точки и его стабиль­ ность, это должна быть математическая модель, описывающая статис­ тическую зависимость диаметра ядра точки от параметров режима сварки, т. е.

сварочный ток, падение напряжения на электродах, сопротивление в сварочной цепи электрод — электрод, усилие сжатия, мощность, энергия.

В связи с тем, что такая модель необходима для активного конт­ роля сварочного процесса и соответствующего воздействия на него, в эту модель должны быть включены основные управляемые (/ сп, Рсж) и контролируемые (U3, R3, Р, Q) параметры, количественная оценка которых в ходе сварки не вызывает особых затруднений.

168