1.5.2 Об'єкти автоматичного керування при зварюванні

Об'єктом автоматичного керування є перш за все власне процес формування зварного з'єднання. Для більшості способів зварювання його можна розглядати як результат функціонування системи «джерело живлення—джерело

Рисунок. 1.32 – Узагальнена схема зварювального процесу

нагрівання — виріб» (рисунок. 1.32), що відбиває типову послідовність перетворення енергії. Електрична енергія, яка подається з промислової мережі, перетворюється джерелом жив­лення у вид, який найповніше відповідає кожному конкретному джерелу нагрівання, яке, у свою чергу, перетворює цю енергію у термічний вплив на виріб і присаджувальний (або електродний) матеріал. Окремі компоненти цієї системи об'єднані зворотними зв'язками , і у складну багатозв'язкову систему. Дія цих зв'язків виявляється

Рисунок 1.33– Класифікація параметрів процесу зварювання

в тому, що змінювання процесу формування зварного з'єднання мають зворотну дію на джерела нагрівання і живлення. Так, при дуговому зварюванні зміна глибини провару супроводжується зміною довжини дуги, в результаті чого змінюються напруга дуги і режим роботи джерела живлення. При електрошлаковому зварюванні зміна

температури шлакової ванни спричиняє зміну швидкості плавлення електрода і струму зварювального трансформатора.

У сучасних зварювальних установках для живлення зварювальних кіл використовують джерела змінного струму (трансформатори спеціальних конструкцій, інверторні джерела підвищеної частоти), джерела постійного струму (зварювальні випрямлячі і генератори різних конструкцій), джерела живлення акумульованою енергією.

Серед зварювальних джерел нагрівання найбільшого поширення набули такі: електрична дуга (дугове і плазмове зварювання); джоульова теплота, яка утворюється при проходженні електричного струму через розплав шлаку (електрошлакове зварювання) або метал зварюваних деталей (контактне зварювання); електронний промінь (електронно-променеве зварювання); промінь лазера та ін.

Кожний зварювальний процес можна характеризувати деякою кількістю узагальнених координат (параметрів зварювального процесу), між якими існують певні зв'язки. Наприклад, між струмом і напругою на дузі існує зв'язок, що визначається властивостями джерела живлення. Частота перенесення крапель електродного металу залежить від струму і напруги на дузі, але ця залежність неоднозначна, має ймовірнісний характер і може бути зображена у вигляді від­повідної кореляційної функції.

Усю багатоманітність параметрів процесу зварювання можна умовно поділити на три групи (рисунку 1.33):

1. енергетичні, що характеризують внесок енергії в процес утворення зварного з'єднання;

2. кінематичні і геометричні, що характеризують просторове переміщення або положення джерела нагрівання відносно виробу;

Рисунок 1.34– Класифікація збурень

3) технологічні, що характеризують умови формування і кристалізації зварних швів, перенесення електродного металу.

В умовах виробництва технологічний процес зварювання зазнає збурень — впливів, які порушують нормальне протікання процесу і спричинюють відхилення показників якості зварного з'єднання від бажаних значень. Збурення можуть впливати на всі без винятку параметри процесу зварювання, однак класифікувати їх зручніше не за місцем прикладання, а за аналогією з параметрами зварювального процесу (рисунок 1.34).

Джерелами енергетичних і кінематичних збурень є промислова мережа і власне зварювальне устаткування: джерела живлення, апаратура керування, приводи подавання електрода, переміщення т а ін. Джерело технологічних збурень — недосконалість технології підготовки заготовок та їхнього складання.

Удосконаленням конструкцій зварювального устаткування, джерел живлення, застосуванням тиристорних і транзисторних приводів сучасної техніки керування зварювальним циклом можна усунути багато енергетичних і кінематичних збурень. Разом з тим важко забезпечити усунення всіх технологічних збурень, оскільки пов'язане з цим ускладнення технологічного оснащення і технології заготовлення, складання і зварювання виробів не завжди є технічно можливим і економічно виправданим. Для того щоб давати оцінку дії збурень на технологічні характеристики зварного з'єднання, треба вра­ховувати закон змінюваності збурень, який може бути заздалегідь відомим або невідомим, та інерційність процесу формування зварного з'єднання. Наприклад, збурення за довжиною дуги і куту нахилу електрода, що виникають при наплавленні кромок штампових матриць по робочому контуру, можна визначити заздалегідь із достатньою точністю. Однак збурення мають випадковий характер, наприклад коливання напруги мережі протягом робочого дня, а також і такі, які виникають при вмиканні і вимиканні сусідніх потужних споживачів електроенергії.

Інерційність формування зварного з'єднання зумовлена особливостями розподілу теплоти у виробі. Якщо час дії збурення істотно менший від часу плавлення основного металу і дальшої кристалізації зварювальної ванни, то таке збурення, яке не спричинює порушень процесу, наприклад обривання дуги, практично не відбивається на геометрії зварного з'єднання. Наприклад, під час автоматичного зварювання під флюсом сталей електродом діаметром 5 мм гранична частота коливання швидкості подавання електрода f_гр = = (1,5...2) Гц. Ступеневі і аперіодичні збурення можуть призвести до зміни форми зварних швів, тому слід уводити обмеження на такі збурення.

У результаті аналізу сучасних зварювальних процесів як об'єктів керування виявлено їхні характерні особливості:

а) швидкоплинність деяких етапів енергетичних перетворень і процесів формування зварного з'єднання;

б) недоступність зони зварювання для безпосереднього вимірювання і контролю;

в) підвищений рівень шкідливої дії на здоров'я людини;

г) потреба оперативної оптимізації зварювальних процесів відповідно до обраного критерію.

Безпосереднє розв'язування загального завдання автоматизації зварювальних процесів ускладнене багатовимірністю об'єктів автоматизації, тому це завдання розчленовується на окремі часткові, в яких система «джерело живлення — джерело нагрівання — виріб» розглядається у вигляді спрощеної сукупності одновимірних об'єктів. При цьому як змінні беруть тільки параметри, які тою чи іншою мірою характеризують процес утворення зварних з'єднань і підлягають у зв'язку з цим стабілізації або зміні за наперед обраним за­коном.

Для одновимірних об'єктів керування зв'язок між вхідною і вихідною величинами в усталеному стані визначається статичною характеристикою. При дослідженні об'єктів із множини їхніх статичних характеристик у кожному окремому випадку використовується тільки та, яка пов'язує параметри процесу, що підлягають керуванню. Широке застосування статичні характеристики знаходять при дослідженні стійкості системи «джерело живлення — джерело нагрівання».

У більшості випадків зварювальні процеси можна описати з достатньою точністю нелінійними диференціальними рівняннями, аналіз і розв'язування яких складні. Через те вдаються до лінеаризації таких рівнянь, обмежуючи тим самим вивчення процесу тільки випадком малих відхилень його від рівноважного стану.

Методи дослідження об'єктів за їхніми статичними характеристиками і лінійними диференціальними рівняннями дають змогу скласти лише загальне судження про їхню стійкість і динамічні властивості,

Х_1п, Х_2п, ..., Х_рп — параметри режиму зварювання; У_п — обраний показник якості зварного з'єднання; п — кіль­кість реалізацій процесу (число зварювань)

Рисунок 1.35 – Формалізоване зображення зварювального процесу

потрібні для розв'язування порівняно простих завдань керування. Сучасний рівень розвитку зварювального виробництва вимагає розв'язування якісно більш складних завдань, основні серед яких такі:

1. оптимізація керування зварювальним процесом;

1. прогнозування якісних показників зварних з'єднань у процесі зварювання;

2. побудова адаптивних (самоналагоджуваних) систем керування зварюванням.

Щоб розв'язати ці завдання, слід формалізувати описання об'єкта керування, оскільки тільки в такому разі виявляється можливим залучення потужного апарата технічної кібернетики. Така формалізація здійснюється зображенням зварювального процесу у вигляді його математич-ної моделі, яка описує тільки ті особливості процесу, які є істотними для його керування, а також обмеження, зумовлені технологічними, економічними та іншими причинами. При такій постановці завдання метою моделювання є встановлення математичної залежності між показником якості Y_n і параметрами процесу Х_рп(рисунок 1.35):

(1.90)

Математичні моделі можна утворити за допомогою двох основних методів.

Перший метод — це встановлення зв'язків між вхідними і вихідними параметрами на основі існуючих фізичних закономірностей процесу. Моделі, зображувальні у вигляді рівнянь, мають назву детермінованих і можуть бути статичними і динамічними. Статичні моделі описують алгебраїчними рівняннями, які не враховують випадкові зміни параметрів, перехідні процеси, а також повільні зміни характеристик об'єкта в часі, пов'язані зі спрацюванням устаткування, старінням елементів схем керування тощо. Складнішими є детерміновані динамічні моделі, що відбивають особливості поведінки об'єкта в часі. Як правило, такі моделі є диференціальними рівняннями в частинних похідних. У стохастичних (імовірнісних) моделях частина або всі характеристики процесу описують випадковими функціями часу.

Другий метод — це встановлення зв'язків між вхідними і вихідними параметрами на основі експериментально-статистичних методів, які дають змогу створити модель у вигляді рівнянь регресії, що описують кореляційну залежність між цими параметрами — випадковими величинами. Для кількісної оцінки зв'язку використовується метод

регресивного аналізу. Такі статистичні моделі досить докладно відбивають закономірності процесу при зварюванні кон­кретного виробу (даної марки матеріалу, товщини) на даному типі устаткування і визначеному режимі та дають змогу з необхідною точністю прогнозувати якість зварного з'єднання і керувати процесом зварювання з метою забезпечення заданих розмірів швів.

Рисунок 1.36 – Виконавчий привід у системі керування зварювальним процесом

Будь-який зварювальний процес можна описувати безліччю моделей, кожна з яких у рамках певної концепції фіксує формалізоване відбиття складної реальності. При побудові математичної моделі слід мати на увазі, що складна, така, що враховує безліч деталей процесу, модель звичайно виявляється малоефективною. Це пояснюється тим, що зварювальні процеси настільки складні, що їхні докладні деталізовані моделі виявляються дуже громіздкими і обчислення за ними спричинюють значні помилки. Тому всю ви­бірку експериментальних даних піддають кореляційному аналізу і на цій основі включають у модель тільки ті параметри Х_рп (див. рисунок 1.35) процесу, які найтісніше пов'язані (корельовані) із якісними показниками Y_п.

Об'єктом автоматичного керування є також виконавчий привод (ВП) пристроїв зварювальних установок. У більшості випадків його основу складають електродвигуни Дв (рисунок 1.36) із блоком керування БК- Зворотні зв'язки між Дв і БК виконані на основі таходатчиків або датчиків положення, надають такому керованому електроприводу функцію виконавчого пристрою локального регулятора, ввімкненого між пристроєм керування ПК і об'єктом ОК, що входить до складу зварювальної установки. Пристрій ПК є електричною частиною установки, що виконує програмно-логічну функцію керування. Елементну базу ПК складають реле, транзистори, аналогові і дискретні мікросхеми або обчислювальні пристрої. До складу виконавчого пристрою, крім двигуна, входять різні механізми, призначені для подавання в зону зварювання електродного дроту, стрічки, переміщення зварювального інструменту, а також інших пристроїв механічної частини установки з розміщеними на них датчиками положення, температури, тиску, кінцевими вимикачами тощо.

Пристрій ПК пов'язаний командними і керувальними вхідними х₁, ..., х_п і вихідними у₁, ...,у_і сигналами з іншими системами керування і людиною-оператором. Обмін інформацією між ПК і БК здійснюється по каналах c₁, ..., c_s і f₁, ..., f_і.

Привод КП, отримуючи командні сигнали c₁, ..., c_s від ПК, здійснює розгін, гальмування, зміну напряму обертання, перехід від однієї частоти обертання до іншої. Про всі стани БК повідомляє ПК по каналах f₁, ..., f_і. Зворотні зв'язки d₁, ..., d_p потрібні для стабілізації частоти обертання і здійснення захисту по струму, прискоренню та ін. Ці зв'язки схемотехнічно виконані на рівні привода ВП. За допомогою зворотних зв'язків l₁, ..., l_r привод дістає інформацію про регульовані параметри OK.

Залежно від конкретного набору зв'язків, їхніх параметрів і типу використовуваного привода можна мати різні системи автоматичного керування приводом. Для найбільш масових випадків використання привода, таких як подавання електродного дроту, переміщення зварювального візка, апарата тощо, потрібні регулювання і стабілізація частоти обертання, виконання приводом команд пуску, зупинки і зміни напряму обертання. Тепер коло завдань, які розв'язуються за допомогою керованого привода, безперервно розширюється та ускладнюється. До таких завдань, наприклад, слід віднести зварювання швів із змінною формою підготовки кромок, коли потрібно відсліджувати і запам'ятовувати швидкість зварювання, лінію стику кромок і зазор між ними. Часто в механізм привода владнуються датчики положення вихідного вала, його швидкості, навантаження та ін.

Специфічним різновидом керованого привода є привод зварювальних роботів, який повинен задовольняти таким основним вимогам: мати високу швидкодію; забезпечувати оптимальний закон розгону і гальмування при мінімальному часі перехідного процесу, високу перешкодостійкість; мати велике відношення вихідної потужності до маси рухомих частин; забезпечувати точне позиціонування і фіксацію встановлених положень виконавчих механізмів.

Керування іншими виконавчими пристроями зварювальних установок — апаратурою дискретної дії (осциляторами, контакторами, клапанами газовідсікачів), регуляторами окремих параметрів — звичайно обмежується їхнім вмиканням — вимиканням у відповідні моменти часу, що визначаються циклограмою технологічного процесу.