Следящие системы с электромагнитными и дуговыми датчиками.

Следящие системы с электромагнитными датчиками.Такие сис­темы наиболее распространены. Электромагнитные датчики могут быть использованы для определения положения стыка без раздел­ки кромок, кромки верхнего листа нахлесточного соединения, скосов кромок; для измерения расстояния до поверхности свари­ваемых элементов, ширины зазора, величины превышения кро­мок; для определения положения начала и конца свариваемого изделия или прихваток.

Рис. 2.64. Типы и конструкции соединений:

а — угловое (изнутри); б — тавровое с одной узкой полкой; в — стыковое (при точных размерах свариваемых элементов); г — стыковое с узким глубоким зазо­ром; д — стыковое с разделкой кромок; 1 — ось сварочного электрода; 2 —датчик.

Выбирая разные положения датчиков относительно поверхно­стей свариваемых элементов, можно использовать эти датчики при сварке разных соединений (рис. 2.64).

Рис. 2.65. Принцип работы электромагнитного датчика:

а — схема датчика; б, в — симметричное и несимметричное расположение вих­ревых токов относительно стыка; 1, 3 — измерительные обмотки; 2 — обмотка возбуждения; Ф₁, Ф₂ — магнитные потоки; I₁, I₂ — вихревые токи; Е — ЭДС.

Простейший электромагнитный датчик состоит из Ш-образной магнитной системы и трех обмоток (рис. 2.65, а). Обмотка 2, расположенная на среднем стержне, питается от источника тока повышенной частоты. Переменное магнитное поле, создаваемое обмоткой, наводит в свариваемом изделии вихревые токи. Непро­водящий зазор между деталями разделяет вихревые токи на два контура (рис. 2.65, б). Результирующее магнитное поле датчика создается не только током, протекающим в обмотке 2, но и вих­ревыми токами.

При симметричном относительно датчика расположении зазо­ра контуры вихревых токов равны, симметричны и I₁= I₂. Соот­ветственно равны магнитные потоки Ф₁и Ф₂ и наводимые ими ЭДС в измерительных обмотках 1 и 3. При встречном включении обмоток 1 и 3 наводимые в них ЭДС компенсируются, и сигнал на выходе датчика равен нулю.

При несимметричном расположении датчика относительно сты­ка (рис. 2.65, в) контуры вихревых токов оказываются различны­ми, токи I₁ ≠I₂. Это приводит к нарушению равенства магнитных потоков Ф₁и Ф₂ и возникновению на выходе датчика ЭДС Е, сигнализирующей об отклонении средней плоскости датчика от плоскости стыка. Направление отклонения датчика от стыка вид­но по сдвигу фазы ЭДС относительно тока, протекающего в об­мотке 2. При изменении направления отклонения на противопо­ложное фазовый сдвиг ЭДС изменяется на 180°.

Электромагнитные датчики наиболее широко применяют для определения положения стыка при сварке стыковых соединений без разделки кромок.

На выходной сигнал датчика влияют координаты стыка; от­клонения геометрических параметров соединения, подготовлен­ного под сварку; качество подготовки заготовок; различия элект­рических и магнитных свойств материала заготовок, вызванные изменениями химического состава и условиями предваритель­ной механической обработки; характеристики окружающей сре­ды и процесса.

Следящие системы с дуговыми датчиками.При автоматизации дуговой сварки крупногабаритных конструкций возникают следу­ющие задачи управления сварочным процессом:

• задача подстройки технологических параметров сварочного процесса (амплитуды и частоты колебаний электрода, скорости сварки и т.д.) в зависимости от изменения геометрических пара­ метров стыка с целью получения шва заданного качества;

• задача наведения электрода на стык свариваемых деталей с целью исключения непроваренных участков при смещении стыка.

При сварке крупногабаритных конструкций конфигурация сва­рочного стыка на всем протяжении не может оставаться постоян­ной, т. е. всегда имеет место изменение углов наклона свариваемых листов и разделки, появление зазоров и (или) изменение их величины, изменение высоты разделки, коробление и изгиб ме­талла и т.д. Так, для таврового и углового стыков углы наклона листов могут составлять 30 ... 70°, углы разделки для стыка со ско­сом кромок — 30 ... 70°, высота разделки — 1 ... 3 мм, толщина ли­стов — 5 ... 10 мм, ширина зазора — 0 ... 10 мм.

Очевидно, что жесткое задание параметров сварочного про­цесса в этих случаях может привести к разрыву дуги. Необходимо подстраивать параметры непосредственно во время процесса сварки по информации о сварочном стыке. В связи с этим актуальна зада­ча распознавания образа сварочного стыка, т. е. получения инфор­мации о его конфигурации и пространственном положении с не­обходимой точностью непосредственно в процессе сварки.

В настоящее время перспективный подход к распознаванию образа сварочного стыка и его пространственного положения — это получение информации по изменению тока и напряжения сварки, при этом роль датчика играет сама электрическая дуга.

Датчики, основанные на использовании сварочной дуги в ка­честве измерительного преобразователя, позволяют проводить из­мерение непосредственно в точке сварки, что исключает необ­ходимость учета транспортного запаздывания, не требует разме­щения в зоне сварки каких-либо измерительных устройств, обес­печивает измерение положения соединения относительно самой сварочной ванны и дуги. Благодаря этому на точность наведения не влияют износ направляющих элементов сварочного инстру­мента, неточность правки электродной проволоки и магнитное дутье. Использование дуги в качестве датчика основано на изме­рении напряжения на дуге, сварочного тока, частоты или скваж­ности коротких замыканий при сварке плавящимся электродом.

В тех случаях, когда параметры процесса изменяются случай­ным образом, получать информацию о положении поверхности изделия значительно сложнее: необходимо не только стабилизи­ровать режим и условия сварки, но и (для достижения требуемой точности измерения) оперировать интегральной величиной сиг­нала или применять методы, основанные на анализе случайных процессов.

Использование дуги в качестве датчика системы наведения на линию соединения свариваемых элементов требует еще более слож­ной обработки информации. Для этого необходима довольно слож­ная аппаратура обработки сигналов, создание которой для ис­пользования на производстве стало реальным только после дос­тижения определенного уровня развития микроэлектронной тех­ники.

В большинстве известных систем в качестве информационного параметра используют силу сварочного тока или напряжение на дуге в зависимости от крутизны ВАХ источника питания: ток — при сварке на пологопадающей и жесткой ВАХ, напряжение — на крутопадающей.

При сварке крупногабаритных конструкций технология пред­усматривает поперечные синусоидальные или круговые колеба­ния электрода, которые позволяют улучшить качество соедине­ния. Поэтому для построения образа стыка наиболее целесообраз­но использовать методы:

контроля изменения формы сварочного тока и напряжения;

гармонического анализа тока и напряжения сварки при попе­речных колебаниях электрода при сварке (рис. 2.72).

Первый метод основан на сравнении сигналов тока и напряже­ния дуги в левом (L) и правом (R) полуциклах колебания дуги. При смещении электрода от центра стыка сигналы в полуциклах различны. Эту информацию можно использовать для управления положением электрода относительно линии стыка. Недостаток ме­тода при его реализации в системах слежения — его низкая поме­хозащищенность.

Второй метод использования сварочной дуги в качестве датчи­ка параметров и положения стыка предполагает разработку мате­матической модели, позволяющей на основе анализа гармоник тока и напряжения сварки, кратных частоте колебаний электро­да, получить полную информацию о параметрах и положении сты­кового соединения. Этот метод имеет более сложный ал­горитм обработки сигналов тока и напряжения дуги, но он более надежен и информативен, так как различные гармонические со­ставляющие при их частотном разложении дают информацию о форме разделки стыка, его положении в пространстве, длине дуги и величине вылета электрода.

Оба метода распознавания положения и параметров стыка с использованием дугового сенсора применимы к различным ти­пам стандартных стыковых соединений, в частности тавровых, угловых со скосом и без скоса кромок.

Применение методов гармонического анализа сигналов дугового сенсора для определения параметров и положения стыка. Задача на­ведения электрода на стык свариваемых деталей возникает при сварке крупногабаритных конструкций, когда листы свариваемых деталей на всем своем протяжении не только изменяют геометри­ческие параметры стыка, но и имеют изгибы по горизонтали. Точ­ное измерение углов разделки стыка, толщины листов, высоты разделки и величины зазора возможно только при колебании элек­трода относительно горизонтальной оси стыка, когда смещение х = 0. Поэтому необходимо на определенном временном интервале измерять текущее смещение стыка и в зависимости от положения сварочной головки разрешать или запрещать измерение геометри­ческих параметров стыка.

Информационно-управляющая система с дуговым сенсором при сварке плавящимся электродом. Предложенные методы определе­ния геометрических параметров стыкового соединения и управле­ния смещением электрода позволяют построить информационно-управляющую систему процессом сварки.Основные элементы системы — это устройства ввода, обработ­ки и передачи информации.

Устройство ввода информации представляет собой аналоговыйФНЧ и АЦП на четыре входа. Фильтр низких частот, установлен­ный перед АЦП, необходим для подавления в исходных аналого­вых сигналах составляющих от помех, превышающих на порядок максимальную частоту в частотном разложении реального физи­ческого сигнала:

Для получения максимальной величины отношения полезного сигнала к среднему квадратическому уровню шума сигнал в АЦП следует разбивать на кАналого-цифровой преобразователь непосредственно подклю­чают к устройству обработки информации (к персональной ЭВМ). Программное обеспечение позволяет выдавать управляю­щие сигналы с АЦП через промежуток времени Δt, определять амплитуды и фазы гармонических составляющих тока и напря­жения сварки через промежутки времениТ= 1/f_k, просчитывать оценки геометрических параметров сварочного стыка и визуали­зировать результаты, распечатывать протокол работы системы, а также выдавать через устройство передачи информации кор­ректирующие сигналы на привод перемещения сварочной го­ловки.

Устройство передачи информации — это ЦАП и устройства сопряжения с механизмами коррекции. К ЦАП, используемым в информационно-управляющих системах сварочного процесса, не предъявляют жестких требований относительно времени преоб­разования, поэтому в качестве ЦАП можно выбрать преобразова­тель типа К572ПА1 со временем преобразования 480 нc (функцио­нальный аналог AD7520 фирмы AnalogDevice).

Последовательность работы информационно-управляющей си­стемы состоит из трех этапов:

• устройство обработки информации (персональная ЭВМ) про­водит расчет гармонических составляющих и коэффициентов рег­рессионных полиномов при заданном диапазоне изменения гео­метрических параметров стыка по результатам компьютерного моделирования;

осуществляется корректировка положения сварочной голов­ки автомата или робота относительно стыка по результатам рас чета гармонических составляющих сварочного тока на частотах, кратных частоте колебаний электрода;

• после того как ось колебаний сварочной головки совмещена с осью стыка, система фиксирует начало координат и начинает построение образа стыка. Для этого на каждом периоде колебаний находятся значения амплитуд гармонических составляющих сва­рочного тока, которые подставляются в регрессионные полино­мы. По результатам измерения формируются управляющие воз­действия. При измерении геометрических параметров стыка сис­тема пересчитывает коэффициенты полиномовак можно большее число уровней квантова­ния.