Диффузионная сварка

1 Введение:

Возьмем систему, в которой  сварка осуществляется головкой, перемещающейся по направляющей, за счёт работы электродвигателей. В головку встроены податчики проволоки и газа. Проволока сплошного сечения или порошковая. Также в головку встроено устройство, позволяющее в малый отрезок времени изменять угол наклона горелки в некоторых величинах.

Мы имеем дело с многомерным  объектом. В нем несколько управляемых  и управляющих величин. Скорость движения горелки по направляющим, подача проволоки, изменение угла наклона горелки-все это управляемые кинетические величины. Соответственно необходимо ввести в систему три величины кинетические управляющие этими процессами. Кинетические величины, такие как угол наклона горелки и скорость подачи проволоки зависят от некинетической величины-напряжение дуги. Этот параметр является определяющим для работы системы в условиях задания. На него будет ориентироваться система для изменения параметров.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Описание автоматизированного  способа сварки как объекта  управления

 Одна из проблем автоматической сварки, включая и сварку промышленными роботами, – нестабильное горение дуги при прохождении сварочной головкой определенного маршрута. Происходит это из-за разброса по различным причинам геометрических параметров заготовок свариваемых деталей. 
Для решения подобных задач применяются специальные системы слежения за линией стыка в ходе сварки детали. Существует несколько систем слежения различающихся по количеству координат и типам используемых датчиков. 
Что касается роботизированной сварки, то самым простым и эффективным способом слежения за линией стыка является система коррекции сварочного шва по значениям тока и напряжения сварочной дуги. Такие выходы имеются практически на каждом сварочном источнике дуговой сварки для сварочных роботов и манипуляторов. Как правило, в целях универсализации подключения к различным типам систем управления роботами, данные выходы представлены в сварочных источниках в виде аналоговых выходов (0-10 Вольт). При возникновении геометрических отклонений длины дуги происходит изменение сигналов на аналоговых выходах, пропорциональных изменению тока и напряжения дуги. Таким образом, можно косвенно измерить длину дуги, пропорциональную величине изменения сигналов. Система выполняет коррекцию длины дуги при сварке углового шва.  
Для реализации данной системы был использован сварочный источник фирмы и EWM и промышленный контроллер С10.  
Сварочный источник в цепях питания дуги оснащен шунтом (или иным датчиком) для измерения тока дуги и резистивным делителем (или иным датчиком) для измерения напряжения дуги. Сигналы тока и напряжения дуги, после соответствующего нормированного преобразования передаются на аналоговые входы промышленного контроллера С10 (0-10 Вольт). Требования к промышленному роботу в данном случае сводятся, во-первых, к наличию у него контурного движения, во-вторых, к возможности активизации у него сенсорных функций (коррекции траектории по показаниям внешних датчиков). Перемещение горелки происходит по траектории типа меандр. Меандр представляет собой маятниковое качание относительно линии стыка – движение, которое является наложенным на основное перемещение вдоль линии стыка. В процессе сварки горелка может находиться у правого или у левого края шва. Система перемещения горелки (в данном случае – промышленный робот) сообщает промышленному контроллеру С10 о своем положении через сигналы синхронизации. В соответствии с этими сигналами контроллер измеряет параметры дуги в момент положения сварочной головки у правого и у левого края. В случае углового шва - у правой или у левой плоскости. Таким образом, зная пределы изменения длины дуги в процессе сварки, можно регулировать длину ее путем изменения угла наклона головки. Весь процесс регулируется двумя взаимосвязанными параметрами: длина дуги и угол наклона головки. Длина дуги может меняться из-за неровностей плоскости по которой передвигается головка, перепадов напряжения, сбоев работы податчика проволоки. Угол наклона головки меняет геометрию дуги, то есть вытягивает или сжимает ее по вертикали, тем самым компенсируя перепады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Определение  управляющих и возмущающих действий, управляемых величин.

Характер управления СПУ  контурный-применяются для движения с постоянной контурной скоростью  в любой точке траектории. Сварка вертикального шва ведется с  постоянной скоростью по всей длине  шва. Параметры сварки, такие как  ток, напряжение, скорость остаются неизменными  по всей длине выполняемого сварного соединения для сохранения однотипности структуры металла и формирования валика постоянного геометрического размера.

По способу задания  и отработки программы, а так же по виду применяемых технических средств система-кинематическая. В системе заданы величины и траектории перемещений в виде сменяемых геометрических аналогов(моделей).

Входные величины:

-скорость перемещения  горелки по вертикали;

-скорость подачи проволоки;

-напряжение на дуге;

-угол наклона горелки;

Возмущения:

-сбои при движении  горелки (перепады напряжения, неровности  направляющего пояса)

-падение напряжения дуги;

-колебания длины дуги  и отклонения электрода от  оси стыка;

-колебания скорости подачи  и скорости сварки.

Для регулирования работы системы возьмем два регулируемых параметра: напряжение сварочной дуги и угол наклона головки. Угол наклона  будет регулировать колебания вызванные изменением напряжения дуги. Известно, что скачки напряжения, которые могут изменять теплоту плавления и соответственно структуру свариваемого металла. Состояние объекта статическое, горелка перемещается с постоянной скоростью и подачей проволоки. Управляемый объект, после снятия возмущающих нагрузок, приходит в состояние близкое к начальному. Напряжение дуги заложено в расчете сварочных параметров и при стабилизации последнего система приходит в равновесие.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Построение функциональной  схемы САУ СП

Основные признаки, удовлетворяющие  требованиям системы:

Система автоматического  управления работает по отклонению, т.е. после воздействия возмущения (скачка напряжения) система в короткий срок стремится вернуться в исходное состояние, к заданной длине дуги.

В зависимости от установившихся значений управляемой величины система астатическая-при различных постоянных величинах внешнего воздействия на объект, по окончании переходного процесса в этом случае отклонение длины дуги от заданного значения становится равным нулю.

По способу воздействия чувствительного элемента на исполнительный орган-прямое управление. Датчик получив сигнал о напряжении дуги, сравнивает его с эталонным и, в случае сбоя, подает напрямую сигнал об изменении положения угла наклона головки.

В зависимости от принципа формирования управляющего воздействия-система  подвержена непрерывному управлению. Сигнал с датчика может быть снят в любой момент времени, вне зависимости  от цикла сварки.

Принцип квантования сигнала-цифровой. Сигнал дискретизируется по времени и квантуется по уровню, т.е. импульсы поступающие с контролируемого объекта имеют привязку по времени, а сила их служит сигналом для считывающего устройства.

Перекрестные связи отсутствуют  в нашей схеме.

При сварке отсутствует самовыравнивание энергетического состояния дуги. Следствием этого является зависимость напряжения и тока от длины дуги. Устранение ошибок достигается с помощью системы АР длины дуги. Основной источник информации о длине дуги – ее напряжение.

Использование обратной связи  по напряжению дуги позволяет построить  замкнутую систему АР, которую  называют системой автоматического  регулирования напряжения дуги(САРНД).

САРНД представляет собой  замкнутые системы автоматического  регулирования с воздействием на пространственные положения электрода относительно поверхности изделия.

Функциональная схема  САРНД (рис 1) состоит из сварочного контура источника питания-дуга-сварочная  ванна и внешнего регулятора. В  регулятор входит суммирующий элемент 1, в котором текущее напряжение дуги UД сравнивают с эталонным напряжением UЭ.  Разность ∆ UД = UЭ – UД усиливается в блоках 2 и 3 по напряжению и мощности. Усиленный по мощности сигнал питает исполнительный двигатель 4, который через редуктор 5 обеспечивает вертикальное перемещение сварочной горелки 6 до устранения рассогласования между UД и UЭ, т.е. ∆ UД =0.

Для лучшего демпфирования  системы в ней используются скоростная обратная связь, реализованная на тахогенераторе 7.

Рис 1 Функциональная АРНД при  дуговой сварке

 

5 Выбор сварочного  оборудования

Наиболее оптимальным  решением для данного типа системы  сварки будет установка направляющих поясов, это могут быть как привариваемые  на прихватки направляющие, магнитные  пояса, направляющие с цепным держателем. Выбор падает на магнитные пояса, которые просты в использовании, легки, компактны и обеспечивают достаточную жесткость конструкции.

Сварочная горелка базируется на механизме с электроприводом, питаемом от общей электрической сети. Момент с двигателя, через редуктор, передается на зубчатое колесо, которое по цепи, зафиксированной на направляющей, перемещается в вертикальном направлении.

Сварочная горелка осуществляет подачу проволоки сплошного сечения  через податчик, которая плавится в сварочной ванне. Процесс ионного переноса металла проволоки происходит за счёт неплавящегося вольфрамового электрода.