Автоматическое регулирование дуговой сварки Первые работы, посвященные разработке теоретических основ автоматизации дуговой сварки, относятся к периоду 40—50-х годов. Широкое исследования, проведенные в ИЭС им. Е. О. Патона Б. Е. Патоном и А.М. Макарон по установлению зависимостей скорости плавления электродной проволоки, параметров сварки швов от условий механизированной сварки, дали необходимый фактический материал для уточнения и конкретизации требований к системам автоматического регулирования дуги. Б. Е. Патон заложил теоретические основы систем регулирования сварочных автоматов. И впервые проанализированы как в статике, так и в динамике системы с автоматическим регулированием напряжения на дуге и с постоянной скоростью подачи электродной проволоки; выявлено влияние колебаний напряжения сети, сопротивления сварочной цепи и вылета электрода на размеры сварных швов; доказана необходимость стабилизации как Напряжения на дуге, так и сварочного тока. Б. Е. Патоном также определены системы (источник питания — сварочный автомат), на работе которых влияние внешних возмущений сказывается в минимальной степени.
Работы Б. Е. Патона по исследованию процессов нагрева и плавления электрода, саморегулирования дуги стали теоретическим основанием для математического моделирования дуговой сварки плавящимся электродом. В Секии электросварки и электротермии АН СССР под руководством В. П. Никитина разработана научная классификация применявшихся в то время систем автоматического регулирования параметров сварочной дуги. В основу классификации положено деление систем по типу регулирующего воздействия. Классификация обеспечивала возможность правильного выбора конкретной системы автоматического регулирования (САР) в зависимости от характера технологических возмущений, действующих па систему источник питания — дуга (ИП — Д). В этот период Г. М. Каспржаком, И. Я. Рабиновичем, JI. Е. Алекиным, В. Н. Шитовой впервые разработаны математические модели системы источник питания — автомат — шов при дуговой сварке плавящим электродом. При анализе качества регулирования систем главным объектом регулирования в моделях
является шов (Ш). Передаточная функция шва для v различных геометрических параметров записывалась в виде апериодического звена первого порядка с постоянной времени, отражающей тепловую инерционность процесса расплавления металла шва. Величина отклонения параметров шва от номинала при действии различных технологических возмущений принималась за критерий оценки качества регулирования систем. Для оперативной оценки качества работы автоматов общего назначения позднее предложены и вычислены для случая сварки под флюсом на переменном токе коэффициенты качества регулирования, представляющие собой отношение величины отклонений конкретного параметра шва к вызвавшим их возмущениям. И. Я. Рабиновичем по совмещенным вольт-амперным характеристикам (ВАХ) дуги и источника питания был предложен достаточно простой и эффективный метод анализа статических ошибок по параметрам дуги при действии технологических возмущений на автоматическое оборудование [96].
Для оценки устойчивости дуги в системе ИП —Д В. П. Никитиным [66], а позднее К. К. Хреновым [ИЗ] получено условие энергетической устойчивости дуги с ИП, содержащим одну реактивность. Оно позволяет выбрать требуемый наклон вольт-амперной характеристики источника питания при заданной ВАХ дуги. В этот период Б. Е. Патоном, а позднее Г. М. Каспржаком п JI. Е. Алекшиным проведен анализ динамических процессов в системе ИП — Д — Ш для сварочных автоматов с постоянной скоростью подачи электродной проволоки. Работа этих автоматов основана на использовании эффекта саморегулирования дуги, открытого В. И. Дятловым в 1942 г.
Б. Е. Патоном была теоретически обоснована возможность создания сварочных полуавтоматов с постоянной скоростью подачи электродной проволоки; было доказано, что необходимая в данной случае интенсификация процессов саморегулирования может быть достигнута за счет уменьшения диаметра электродной проволоки. Результаты указанных исследований позволили правильно выбрать параметры автоматов с постоянной скоростью подачи электродной проволоки и оценить их технологические возможности при работе в условиях технологических возмущений.
В 50-х годах благодаря работам, проведенным Б. Б. Патоном, В. К. Лебедевым, О. Н. Братковой, И. Я. Рабиновичем, значительно совершенствуются конструкции источников питания дуги постоянного и переменного тока. Это открыло возможность построения САР процесса сварки с воздействием на дугу непосредственно через питающую систему. Основные принципы построения регуляторов мощности сварочной дуги через источник питания были приведены в работе. В Институте электросварки им. Б. О. Патона были разработаны две группы регуляторов напряжения дуги переменного тока: с воздействием на ЭДС источника питания (регулятор с реактивным делителем, автотрансформатором, вольтодобавочным трансформатором) и воздействием на сопротивление источника питания с помощью регулируемого дросселя. В 50-х и начале 60-х годов одновременно с быстрым развитием автоматической сварки под флюсом на переменном токе получает широкое внедрение в производство и автоматическая сварка на постоянном токе под флюсом и в защитном газе. Основными источниками питания дуга для этих способов являются сварочные генераторы с падающей п с жесткой внешними характеристиками. Особенно важной роль источника питания оказалась при сварке в углекислом газе с короткими замыканиями. Большое значение приобрели работы Института электросварки по определению взаимосвязи между статическими и динамическими характеристиками источника питания и его технологическими свойствами на основании которых даны конкретные решения по улучшению выпускаемых промышленностью сварочных источников питания, в частности генераторов с жесткой характеристикой, используемых для сварки в СО 2.
Выработке этих решений способствовала и Вильнюсская республиканская конференция 1965 г., па которой состоялся обмен опытом между учеными и производственниками по проблеме развития источников питания. Интересные методики по расчету генераторов н средства улучшения статических и динамических их характеристик были предложены Г. М. Каспржаком, К. Синдаровскасом, И. И. Каросасом, Н. И. Зарубой. Ценными и полезными в практическом плане для разработчиков источников питания дуги постоянного тока оказались данные, полученные в ИЭС им. Б. О. Патона В. К. Лебедевым [58]. В работе [26] Н. Г. Дюргеровым получены дополнительные сведения о процессе саморегулирования длинной и короткой дуг постоянного тока при различной плотности тока.
В 60-х годах учеными проведены серьезные исследования по изучению физических процессов в дуговом промежутке. Г. И. Лесковым, И. И. Зарубой, Н. М. Новожиловым, А. И. Акуловым, Н. Г. Дюргеровым, А. Г. Потапьевским получены описания физических процессов в дуговом промежутке при переносе электродного металла через дугу и при замыканиях электрода на сварочную ванну. В. С. Гвоздецким, В. С. Мечевым, А. А. Ерохиным, Г. И. Тиходеевым получены описания электрических характеристик дуги постоянного тока с неплавящимся электродом. Весь комплекс указанных исследований технологов и разработчиков источников питания позволил подойти к решению проблемы управления переносом электродного металла при сварке в СО2 с целью повышения стабильности процесса сварки и разбрызгивания электродом металла, предложить методы управления параметрами свободной и сжатой дуг постоянного тока с неплавищимся электродом, улучшить технологические свойства сварочных дуг путем правильного выбора состава защдтвой среды, геометрии и состава электрода, параметров источника пита-I ввя. Выл проведен глубокий анализ процесса нарушения стабильности дуговой сварки в углекислом газе, онрезелены условия перехода от непрерывного к прерывистому горению дуги, рассмотрены переходные процессы в системе ИП — Д и проведено их статическое исследование. Полученные результаты позволили существенно оптимизировать процесс дуговой сварки в СО2 как с короткими замыканиями, так и без них. Определены области качественных режимов сварки, улучшены параметры источников питания. Предложены различные системы управления процессом сварки в углекислом газе, уменьшающие разбрызгивание электродного металла. Разработаны системы регулирования с воздействием на вылет электрода и обратной связью по току дуги, системы автоматического регулирования тока и напряжения дуги через питающую систему с обратной связью по напряжению дуги. При сварке неплавящимся электродом исследовала связь напряжения дуги с данной дуги. Полученные зависимости легли в основу построения регуляторов длины дуги по изменению напряжения на дуге АРНД при сварке неплавящимся электродом. В ИЭС им. Е. О. Патона, ВНИИЭСО, НИКИМТ, МВТУ им: Н. Э. Баумана были разработаны регуляторы АРНД непрерывного и релейного типа. В ходе проектирования и эксплуатации систем АРНД разработаны инженерные методики расчета параметров этих систем с учетом требований технологии, усовершенствованы принципиальные схемы. В настоящее время в комплекте с системами АРНД выпускается ряд сварочных автоматов (АСГ, УДГ и др.).
Для управления мощностью сварочной дуги в 60-х годах были разработаны способы сварки с периодически изменяющимся током. Одним из эффективных средств расширения технологических возможностей и повышения качества сварки плавящимся электродом в защитном газе явились разработанные в Институте электросварки Б. Е. Патоном и его учениками способ и оборудование для импульсного автоматического управления переносом металла и параметрами режима сварки. Для реализации способа в том же институте разработаны и с 1964 г. серийно выпускаются специальные импульсные устройства питания дуги. Использование в промышленности результатов этих разработок позволило существенно расширить области применения сварки плавящимся электродом, выполнять сварочные работы в различных пространственных положениях, повысить качество и технико-экономические показатели сварки.
Для сварки неплавящимся электродом тонколистовых конструкций А. В. Петровым и Г. А. Славиным разработан способ сварки импульсной дугой [92]. За счет управления мощностью дуга регулируется тепловложение в основной металл, достигается уменьшение деформаций н напряжений, улучшается качество сварки, расширяются области свариваемых толщин металла. Весьма действенным п целесообразным приемом решения ряда технологических задач явилось также низкочастотное периодическое изменение мощности дуги при сварке плавящимся электродом. Образование сварного соединения связано не только с характером тепловых процессов при формировании шва, но и с гидродинамическими процессами в сварочной ванне, особенно па форсированных режимах при однопроходной сварке. Поэтому при решении задач управления процессом формирования сварного соединения более корректно рассматривать в качестве основного объекта регулирования не параметры шва, как это принималось раньше, а сварочную ванну с учетом тепловых и гидродинамических процессов в пей. В работе показано, что для отработки возмущений в жидкой ванне нужны более быстродействующие регуляторы по сравнению с ранее спроектированными. Использование в САР новых полупроводниковых источников питания позволило разработчикам автоматических систем предложить ряд оригинальных, качественно новых типов регуляторов качества сварки. На перспективность внедрения таких систем, построенных по различным технологическим критериям, указывается в статье Б. Е. Патона. В принципиальных схемах установок начинают использоваться выпускаемые промышленностью полупроводниковые модули, микросхемы. Уменьшены габариты блоков управления. С использованием модулей в ИЭС им. Е. О. Патона, ВНИИЭСО разработаны блоки программного управления автоматами; обеспечена реализация программ цикла сварки с учетом процесса зажигания дуги и заварки кратера [81, 11]. На ряде заводов страны работают автоматические линии с программным управлением по производству серийных изделий с помощью дуговой сварки, широко используется программирование параметров режима при сварке неповоротных стыков труб. В МВТУ им. Н. Э. Баумана разработана серия трубосварочных автоматов, в которых запрограммирован весь цикл сварки с учетом требуемого изменения параметров режима сварки (тока, скорости сварки) в функции пространственного положения сварочной горелки. Широко применяется программирование и при перемещении сварочного органа по требуемой траектории.
В ИЭС им. Е. О. Патона разработаны системы цифрового программного управления положением сварочной проволоки относительно изделия или их взаимным перемещением, а также системы управления процессом дуговой сварки путем программирования скорости подачи электродной проволоки.
Для реализации гибких программ, оптимизируемых в процессе сварки в зависимости от характера технологических возмущений, требуется разработка специальных датчиков сигнала обратной связи по параметрам процессов. Более проста в реализации задача оптимизации программ по геометрическим критериям объекта регулирования (сварочной ванны). Анализ устойчивости системы источник питания —дуга с помощью структурных схем с обратными связями по току и напряжению позволил предложить способ параметрической стабилизации вводимой в изделие мощности дуги с неплавящимся электродом при возмущениях по внешней длине дуги.
В ИЭС им. Е. О. Патона для микроплазменной сварки разработана серия источников питания с гиперболической внешней характеристикой, обеспечивающей стабилизацию вводимой в изделие тепловой мощности при колебаниях тока и напряжения дуги .
На базе полупроводникового выпрямителя и разработанной к нему тиристорной приставки реализован параметрический регулятор глубины проплавления при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом. Устройство нашло применение при сварке нержавеющих труб на непрерывных станах. В качестве объекта регулирования рассматривается сварочная ванна, в моделях которой учитывается характер гидродинамических процессов течения жидкого металла под дугой.
Как показали исследования, возможности параметрических регуляторов становятся ограниченными с ростом уровня технологических возмущений. Для отработки значительных по уровню технологических возмущений потребовалось разработать различные датчики заклепками. Количество внедряе- свгвала обратной связи по параметрам систем этого типа в настоящее объекта. При этом требовались датчики время значительно увеличивается. Они «ух типов: дающие информацию о гео- используются в различных отраслях Метрических параметрах шва и дающие промышленности, информацию о положении сварочной Вторая группа датчиков используется в следящих системах для направления электрода по стыку, а также для вопросам показали принципиальную возможность построения датчиков на электромагнитном, фотоэлектрическом и телевизионном принципах. С использованием этих принципов в настоящее время в СССР разработаны бесконтактные датчики, позволяющие заметно приблизить точку измерения величины регулируемого параметра объекта к сварочной дуге.
Наиболее интересные принципиальные и конструктивные решения при проектировании датчиков были предложены Н. С. Львовым, Э. А. Гладковым, В. К. Лебедевым, Р. М. Широковским, Ю. А. Паченцевым, Н. Г. Котовой, М. А. Кудрявцевым, В. А. Виноградовым и другими. Датчики первого типа (в основном фотоэлектрические) нашли применение в системах автоматического регулирования величины проплавления.
В качестве контролируемого параметра шва в этих системах выбирается либо глубина проплавления (в случае сварки с неполным проплавлением), либо ширина проплавления (в случае сварки с полным проплавленном).
Величину проплавления оценивают по температуре на внешней или внутренней поверхности изделия. При этом для более точного измерения параметров проплавления часто в конструкции датчика используют специальные оптические фильтры, ограничивающие области его спектральной чувствительности. Из разработанных систем этого типа следует отметить САР глубины проплавления при сварке труб, разработанные в Уралчерметавтоматпке и МВТУ им. Н. Э. Баумана и систему автоматического регулирования проплавления при сварке электро
коррекции жестких программ в устройствах с цифровым программированием перемещения сварочной горелки по липни стыка. Разработаны бесконтактные датчики, работающие на электромагнитом, фотоэлектрическом и телевизионном принципах. Выбор датчика определяется технологическими условиями сварки. Наиболее известны в этой области работы, выполненные в ИЭС пм. Е. О. Патона (Р. М. Широковским, Ю. А. Паченцевым), в МВТУ им. Н. Э. Баумана (Э. А. Гладковым, Н. С. Львовым), в Институте автоматики АН УССР (В. Г. Котовой), во ВНИИЭСО (В. В. Смирновым) н др. Системы с фотоэлектрическими датчиками изготавливаются с возможностью управления по одной и двум координатам и используются главным образом для слежения по опорной линии, наносимой на изделие перед сваркой. Из систем с фотоэлектрическим датчиком можно отметить двухкоординатную систему, разработанную в Волгоградском НИИТМАШ и внедренную при сварке кольцевых швов обечаек, и следящую систему типа У-351, разработанную в ИЭС им. Е. О. Патона и испытанную на Челябинском трубопрокатном заводе при сварке различных труб диаметром 1220-1420 мм.
Достаточно широкое применение в системах направления электрода по стыку нашли электромагнитные н телевизионные датчики. С применением индукционного датчика в ИЭС им. Е. О. Патона разработана и внедрена в производство следящая система СИ-1, которая используется при сварке алюминия. В МВТУ им. Н. Э. Баумана с электромагнитным датчиком краевого эффекта н индукционным датчиком наготовлена серия следящих систем для направления электрода по стыку при сварки продольных и кольцевых стыков труб. Точность слежения ±1 мм. С применением телевизионных датчиков разработана серия следящих систем, используемых для направления электрода по стыку при аргоно- дуговой сварке. Достоинством этих установок является возможность дистанционного наблюдения и контроля процесса сварки, возможность обслуживания одновременно нескольких сварочных машин одним оператором, повышение комфорта и производительности труда. Разработана телевизионная система (на базе установки ПТУ-37) для наблюдения за процессом сварки и направления электрода по стыку при сварке внутренних швов труб большого диаметра на Харьковском трубном заводе. При применении этой системы значительно повышается точность направления электродов по стыку и облегчается работа оператора. При разработке систем с телевизионными датчиками (в теоретическом плане) решены задачи фильтрации мощного светового излучения дуги, являющегося помехой при передаче изображения, построены удачные алгоритмы обработки информации полезного сигнала на фоне помех и т. д. Бесспорно, телевизионным системам по мере их совершенствования принадлежит большое будущее.
Основным недостатком следящих систем с электромагнитными и телевизионными датчиками, работающими непосредственно по линии стыка, следует считать наличие методической ошибки из-за опережающего положения датчика относительно сварочной горелки. Поэтому возможная кривизна стыков, свариваемых с помощью таких систем, ограничивается величиной не более 10 мм на погонный метр шва.
(ЗУ). Разработаны различны» принципы реализации такого устройства на функциональных элементах (конденсаторах, магнитной ленте) и с использованием цифровой техника. Возможен и иной принцип построения следящих систем для сварка . стыков значительной кривизны — ; без использования в них запоминающих устройств. Такие устройства реализуются с использованием обработка : по специальному алгоритму сигнала о кривизне, поступающего от датчика стыка.
Определенные усилия ученых в 70-х. годах направлены и на разработку особой группы систем, используемых для направления электрода по стыку с криволинейной образующей в вертикальной плоскости и в пространстве. Это бескопирные системы, используемые при сварке изделий некруглой формы для изделий с криволинейной образую-щей в вертикальной плоскости. Подобные системы позволяют решать задача обеспечения положения оси электрода по нормали к поверхности изделия, стабилизации напряжения дуги, стабилизации вектора скорости сварки по величине и в пространстве с точностью до 5% .
В 70-х годах ученые ИЭС им. Е. 0. Патона вплотную подошли к задаче создания промышленных роботов для дуговой сварки. Уже в 1972 г. Б. Е. Патоном и Г. А. Спину была создана методика и даны рекомендации при построении роботов для контактной и дуговой сварки.
В работе [50] предложена оригинальная методика внешнего программирования движения рабочего органа промышленного робота при дуговой сварке, позволяющая упростить процедуру программирования сварочного станка типа робот, с использованием серийных ЭВМ небольшой мощности. В ИЭС им. Е. О. Патона были изучены конструктивные особенности и принципиальные решения при реализации систем управления некоторых промышленных
мощью промышленных роботов, как правило, необходимо использовать специализированное оборудование, позволяют^ программировать основные параметры режима сварки. В работе ф. Н. Киселевским, Г. А. Спыну и др. были впервые сформулированы основные научные положения и описана система группового управления промышленными роботами на базе управляющего вычислительного комплекса М-400. В ближайшие годы следует разрабатывать автоматические линии, в которых дуговую сварку возможно будет выполнять с помощью промышленных роботов.
Г. А. Спыну, И. О. Шейко и другими исследователям и были изучены технико- экономические и социальные аспекты применения промышленных роботов для сварки. Исследования показали, что использование роботов позволит освободить человека от тяжелого ручного труда, от работы в неблагоприятных условиях, а также значительно сократить численность рабочих, занятых в вечерние и ночные смены, исключается и фактор квалификации оператора в цикле производства.
Развивается научное направление по созданию адаптивных роботов, что позволит существенно расширить область их применения.
Первый робот для дуговой сварки уже создан в ИЭС им. Е. О. Патона, изучаются его технологические возможности, надежность функционирования всех механических и электрических систем. Существенно ускорится выпуск серий промышленных роботов и расширятся их возможности в производстве с разработкой унифицированных узлов сварочного оборудования, с использованием в системах управления роботом датчиков обратной связи по параметрам процесса на базе описанных выше разработок.
Во ВНИИЭСО проводятся работы по разработке унифицированных узлов
рубежом систем управления сварочным процессом; различных типов датчиков сигнала обратной связи; намечен план работ, в результате которых на основе разработанных унифицированных узлов можно будет конструировать автоматические и полуавтоматические линии с использованием роботов, удовлетворяющие различным требованиям производства и отличающиеся большой универсальностью и гибкостью перестройки.
Одна из важных проблем управления— создание АСУ технологическим процессом сварки. Это системы более высокого класса и больших возможностей в отношении управления процессом сварки в целом. Управление здесь может быть построено по различным технологическим критериям качества сварки. При реализации таких систем широко будут использоваться ЭВМ специального и общего назначения, различные системы автоматического регулирования с датчиками сигнала обратной связи по параметрам процесса. Возможно одновременное управление несколькими сварочными автоматами и целыми линиями. Все имеющиеся в настоящее время разработки различных систем управления процессом сварки являются прочным фундаментом, на котором могут быть в ближайшее время построены различные АСУТП дуговой сварки.
Широко в ближайшие годы будут внедрятся и системы комплексной автоматизации сварочного производства в целом. Они обеспечат автоматическое управление не только сварочным процессом, но и различными транспортными и сборочными операциями.
