2.9 Автоматизація керування положенням зварювального пальника при зварюванні і наплавленні

Оптимізація зварних конструкцій із урахуванням їхнього функ­ціонального призначення, малогабаритних та міцнісних показ­ників супроводжується зростанням кількості швів складної форми, а також наплавлюваних кромок і поверхонь складної конфігурації замість переважно застосовуваних у зварних конструкціях прямо­лінійних і колових з'єднань і наплавлюваних поверхонь. Тому ав­томатизація зварювання складних швів і наплавлення складних кро­мок та поверхонь стає найактуальнішою.

За формою траєкторії потрібних переміщень, що визначає ха­рактер і обсяг геометричної інформації, яку повинна переробити система керування зварювальним процесом, об'єкти зварювального виробництва поділяють на три групи: із суворо орієнтованими (регу­лярними), із не суворо орієнтованими та з довільними швами (по­верхнями). Під час зварювання стиків першої групи потрібне пере­міщення за однією координатою з використанням одного ступеня ру­хомості. При виконанні швів другої групи рух за даною траєкторією здійснюється за кількома координатами, однак за однією з них швидкість значно більша, ніж за рештою на всіх ділянках траєкторії руху. При зварюванні стиків третьої групи рух за заданою траєкто­рією здійснюється переміщенням за кількома координатами із вико­ристанням кількох ступенів рухомості із змінними взаємозалежними швидкостями [12].

Фактичне положення лінії з'єднання зварюваних деталей є ре­зультатом сумісної дії ряду випадкових факторів і технологічних збурень: похибок виготовлення зварюваних елементів та їхнього складання перед зварюванням; похибок фіксації зварюваного виробу в позиції зварювання; похибок задавання і відпрацювання траєкторії зварювального руху, деформацій виробу в процесі зварювання. Досвід показує, якщо сумісна дія зазначених факторів не призво­дить до відхилень, що перевищують половину діаметра електродного або присаджувального дроту, то траєкторії переміщення зварюваль­ного інструменту відносно лінії стику кромок можуть бути заданими напрямними візків або кареток зварювальних апаратів чи засобами кінематичного або цифрового програмного керування [12]. Якщо збурення спричинюють відхилення, які перевищують допустимі, то для керування переміщенням пальника потрібне застосування ав­томатичного слідкування за стиком зварюваних кромок із урахуван­ням їхнього фактичного положення.

Проблема автоматизації зварювальних операцій за допомогою слідкуючих систем — це перш за все проблема методів і засобів вимірювання фактичного положення стику або поверхні, що наплав­ляється, в умовах виготовлення того чи іншого виробу.

За засобом здобування інформації про по­ложення контрольованого об'єкта розрізняють дві групи датчиків:

а) датчики, в яких інформація утворюється в результаті зміщення контрольованого об'єкта щодо чутливого елемента датчика з реально спостережуваною швидкістю;

б) датчики, в яких інформація утворюється під час розглядання (сканування) зони контрольованого об'єкта чутливим елементом дат­чика із швидкістю, яка перевищує не менш як на порядок швидкість реального зміщення об'єкта.

Датчики зі скануванням конструктивно складніші датчиків першої групи, однак вони дають змогу дістати більший обсяг інформації про об'єкт вимірювання і можуть бути виготовлені більш перешкодозахищеними.

За способом перетворення інформації у сиг­нал, який використовують для керування, слідкуючі системи можна класифікувати за типом датчиків, що застосовуються у них. Розріз­няють слідкуючі системи з датчиками: електромеханічними, фото­електричними, телевізійними, електромагнітними, електророзрядними, ультразвуковими, пневматичними, радіаційними, фотопірометричними та ін.

Залежно від місця точки вимірювання поло­ження лінії з'єднання зварюваних кромок виробу розрізняють датчики і системи з вимірюванням попереду точки зварювання (рисунку 2.37, а, в, г), збоку від точки зварювання (рисунку 2.37, б) та у точці зварювання.

У системі, виконаній за схемою рисунок 2.37, а, виникає похибка Д_к наведення пальника на лінію спряження зварюваних елементів. Ця похибка відсутня у системах із вимірюванням збоку від точки вварювання (рисунку 2.37, б), у точці зварювання, а також у системах, у яких враховується транспортне запізнення (рисунку 2.37, в, г), для чого вони обладнуються запам'ятовуючими пристроями.

Системи, де враховуються транспортні запізнення, можуть бу­ти побудовані за двома схемами: з абсолютним визначенням положення лінії з'єднання у точці вимірювання (рисунку 2.37, в) і з відносним визна­ченням положення лінії з'єднання у точці вимірювання (відносно точки зварювання). У першому випадку абсолютне положення датчи­ка Д лінії з'єднання вимірюється допоміжним датчиком положення ДДоп і надходить до блоку пам'яті. У другому випадку визначається відхилення лінії з'єднання у точці вимірювання щодо точки зварю­вання і це відхилення складається з поточним положенням зварю­вального пальника. Дістана алгебраїчна сума, що визначає абсолютне положення точки вимірювання, надходить до запам'ятовуючого пристрою. В обох видах систем інформація про положення точки вимірювання використовується для керування положенням зварю­вального пальника із затримкою у часі, яка визначається часом

а — із датчиком попереду точки зварювання; б — із датчиком з боку від точки зварюван­ня; в — із датчиком попереду точки зварювання, запам'ятовуючим пристроєм і незалеж­ною вимірювальною слідкуючою системою; г — те саме із залежною (закріпленою нерухомо щодо зварювального пальника) вимірювальною системою; ЗП — зварювальний пальник; Д — датчик положення лінії з'єднання 3 або лінії (поверхні), еквідистантної лінії з'єднан­ня Е; П — перетворювач датчика; Пр — привод переміщення зварювального пальника; Де — виконавчий двигун привода зварювального пальника; Яр — привод вимірювальної слідкуючої системи; Дв_в — виконавчий двигун привода вимірювальної слідкуючої системи; ДДоп — датчик положення допоміжний; БП — блок пам'яті; 2 — підсумовуючий при­стрій; v — напрям швидкості переміщення зварювального пальника при слідкуючій системі, яка не працює; -> — кінематичні зв'язки

Рисунок 2.37 – Схеми слідкуючих систем для керування положенням зварювального паль­ника

переміщення на швидкості у_зв у напрямі х на відстань між точкою зварювання і точкою вимірювання. Швидкість v_x задається відпо­відно до вимог технології, а інформація про переміщення за коорди­натою х надходить до

запам'ятовуючого пристрою блоку пам'яті БП і потім використовується для керування приводом переміщення зварювального пальника.

Стосовно до завдання автоматичного керування положенням зварювального пальника (електрода) щодо лінії з'єднання зварю­ваних кромок для відліку її положення на виробі можна викорис­товувати стик зварюваних кромок, кромки (поверхні) виробу або спеціальну копірну лінію. Визначивши, що буде використовуватися для відліку положення стику на виробі, треба знайти характеристики вхідної дії в системі автоматики: найбільше значення розузгодження між розрахунковим і фактичним положенням лінії з'єднання або поверхні виробу; найбільшу швидкість зміни цього розузгодження (граничну частоту спектру сигналу розузгодження). Ці дані дають змогу визначити потрібне значення і найбільшу швидкість переміщення датчика та зварювального пальника вздовж відповідних координат.

Для реальних умов зварювання значення цих величин визнача­ються дією випадкових факторів: похибками виготовлення зварюва­них елементів виробу, похибками їх складання під зварювання, похибками встановлення зварюваного стику в положенні зварювання.

Створювані слідкуючі системи, окрім їх принципової роботоздатності і стійкості, повинні мати певні динамічні властивості, які оцінюються за допомогою показників якості регулювання: перерегулювання , %, часу регулювання t_p і числа коливань , що здійснюються системою за час перехідного процесу.

Практика показує, що для більшості випадків зварювання достатньо, щоб слідкуюча система мала такі показники якості:

За числом слідкуючих рухів системи можна роз­ділити на одно- і багатокоординатні. Кількість відслідковуваних координат визначається характером ліній, що утворюються на площи­ні або в просторі кромками майбутнього шва, які стикуються, і його орієнтацією щодо координатних осей: пряма лінія, пряма, яка розмі­щена під невеликим кутом до лінії руху зварювального апарата, синусоїда зі змінною амплітудою і періодом та ін. Двокоординатні слідкуючі системи є поєднанням двох незалежних однокоординатних систем із загальним двокоординатним або двома однокоординатними датчиками. При зварюванні швів складної форми використовують також дво- і трикоординатні слідкуючі системи зі взаємозалежними слідкуючими рухами.

Пристрої для переміщення датчиків і зварювальних головок конструктивно можуть бути оформлені у вигляді модулів, що міс­тять платформи із супортами вертикального і горизонтального пере­міщення з відповідними приводами. Це створює передумови для уні­версалізації застосування слідкуючих систем — один модуль мо­же використовуватися з кількома типами зварювальних апаратів.

За типом регулятора, що застосовується в системі авто­матики, слідкуючі системи поділяють на дві групи: системи з регу­ляторами прямої і непрямої дії.

Слідкуючі системи (пристрої) із регуляторами прямої дії є най­простішими. У таких системах вимірювання невіддільне від

керування, зварювальний пальник має одну або кілька вільних безприводних рухомостей і з'єднаний безпосередньо зі щупом, виконаним у вигляді ролика або нерухомого колірного пальця. Щуп постійно притиснутий до поверхонь кромок стику або інших поверхонь зварюваних еле­ментів під дією пружин або сил ваги. При одному щупі-ролику (рисунок 2.38, а) можливе напрямлення пальника по стику кромок без прихваток. Якщо зварювальний пальник і щуп мають тільки одну рухомість (рисунок 2.38, а), то виникає складова похибки накладання шва (рисунок 2.38, г).

При копіюванні у двох (і більше) точках і додатковій рухомості щупа щодо пальника (рисунок 2.38, б) або щупа з пальником щодо виробу (рисунок 2.38, в) можна істотно зменшити похибку , а при суворо пря­молінійних стиках, випадково повернутих на невеликий кут, повністю уникнути цієї похибки (рисунок 2.38, д). Щоб при цій додатковій рухо­мості можна було копіювати стики, зібрані за допомогою прихваток, потрібно не менше трьох щупів-роликів із незалежним притисненням до виробу (рисунок 2.38, в).

Пристрої, схеми яких наведено на рисунок 2.38, застосовуються при зварюванні переважно стикових з'єднань зі скосом кромок або гаран­тованим зазором між кромками, зібраними без прихваток або на при-хватках. При виконанні кутових швів ці пристрої застосовують при зварюванні у положенні «у човник». При цьому потрібне також ко­піювання за другою координатою, яке здійснюється за допомогою додаткової системи з регулятором непрямої дії.

1 — зварювальний виріб; 2 — колірний ролик; 3 — пружина; 4 — ланка, яка переміщується вздовж лінії з'єднання; 5 — рухливість, що забез­печує коректувальне переміщення; 6 — зварювальний пальник; 7 — додаткова рухливість; 8 — лінія з'єднання

Рисунок 2.38 – Схеми пристроїв прямої дії для напрямлення зварю­вального інструменту по лінії з'єднання.

При зварюванні «у кут» коректуючі переміщення можуть бути напрямлені або впоперек і вздовж осі електрода, або бути перпен­дикулярними до полиць зварюваних з'єднань, як показано стрілка­ми на рисунок 2.39. Пряме копіювання по вертикалі і під великими кутами до горизонталі застосовують при невеликій або частково зрівноваже­ній масі частин, які переміщуються (рисунок 2.39, а).

У схемі на рисунок 2.39, б колірний ролик 1 під дією пружин, що ство­рюють сили F₁ і F₂, займає суворо нейтральне положення (до стикан­ня з виробом). Це досягається завдяки тому, що сила F₂ притискає до виступу корпусу упорну шайбу, а сила F₁ менша, ніж сила F₂, притискає до цієї шайби рухомий елемент, жорстко зв'язаний із колірним роликом. Щоб зусилля, які потрібні для зміщення ролика з нейтрального положення в обидва боки, були рівними, треба за-

1 — колірний ролик; 2 — зварюваний виріб; 3 — зварювальний пальник

Рисунок 2.39. Схеми двокоординатних пристроїв прямої дії для зварювання кутових швів

безпечити у нейтральному положенні виконання умови: F₂ = 2F₁ (без урахування сили ваги рухомих частин). Схема на рисунок 2.39, в Дає змогу реалізувати пряме копіювання поверхонь виробу у точках, розміщених збоку на траверсі точки зварювання, що найпростіше здійснити при виконанні кутових швів із достатньо широкими поли­цями.

У вітчизняній промисловості є приклади застосування одно-та двокоординатних копіювальних пристроїв прямої дії з періодичним копіюванням. Точка копіювання пристрою (рисунок 2.40) розміщена на відстані 8—10 мм бід точки зварювання. Як щуп використовується клинчастий палець. Цикл коректування положення зварювального пальника складається із звільнення його фіксатора за двома ступенями рухомості: однієї вздовж осі електрода; другої — впоперек осі електрода і лінії з'єднання; потім руху щупа до упору в поверхні зварюваних кромок, дальшою фіксацією зварювального пальника, а потім відведення щупа від виробу на відстань . Приводи механізмів переміщення щупа і фіксації зварювального пальника — пневматичні. Перший цикл коректування виконується до початку зварювання. Частота проходження циклів коректування і положення точок копіювання на лінії з'єд­нання встановлюється залежно від очікуваної швидкості зміни розуз-годження між розрахунковим і

:

1 — пальник; 2 — щуп; 3 — пневмоциліндр висування щупа; 4 — повзун переміщення пальника вздовж електрода; 5 — фіксатор пальника; б — втулка, що забезпечує гойдання пальника впоперек осі електрода; 7 — пнев­моциліндр приводе фіксатора

Рисунок 2.40 –Пристрій періодичного прямого копіювання для поточної адаптації

фактичним положеннями лінії з'єднання, її кривини, відхилення зварю­вального пальника електрода від лінії з'єднання, яке допускається, а також від розміщення прихваток. Оскільки щуп у кожному циклі коректування знаходиться поблизу зони зварювання протягом часу до 1 с, то він практично не забризкується і не нагрівається. Ще спри­ятливіші умови застосування такого пристрою забезпечуються при зварюванні пульсуючою дугою, коли коректування може здійснювати­ся під час переривання дуги. Такі пристрої, наприклад, доцільно за­стосовувати при

зварюванні кутових швів невеликої кривини без прихваток або з прихватками, розміщеними у точно визначених місцях (між точками спрацьовування пристрою).

Регулятори прямої дії мають такі недоліки:

ї) неможливість застосування їх при зварюванні стикових з'єд­нань без скосу кромок або гарантованого зазора в стику, а також напусткових з'єднань із верхнім листом завтовшки до 3 мм;

9) потреба спеціальної конструкції зварювального апарата з «плаваючою» у напрямі слідкування частиною, що несе зварювальну головку;

3) при неможливості копіювання збоку точки зварювання та недо­цільності застосування планок для виведення щупа слід передбачити фіксацію «плаваючої» частини апарата перед виведенням щупа з кон­такту з виробом при накладанні кінцевої ділянки шва, а також забезпечувати достатньо високу жорсткість конструкції усієї мані­пуляційної системи, щоб зняття зусилля копіювання після виходу щупа з контакту з виробом не спричинювало надмірного додаткового зміщення зварювального пальника із зафіксованого перед цим поло­ження.

Цих недоліків позбавлені слідкуючі системи з регуляторами не­прямої дії.

Слідкуючі системи з регуляторами непрямої дії. Цим системам притаманна різноманітність датчиків і способів перетворення здо­бутої від них інформації у сигнал, який використовується для керу­вання положенням зварювального пальника. Серед таких систем ве­лику групу утворюють слідкуючі системи з електромеханічними дат­чиками. Основною особливістю електромеханічних дат­чиків є наявність у їхній конструкції копіювального елемента — щупа, який під дією пружин або сил ваги перебуває у контакті з кром­ками стику виробу або поверхнями, що копіюються. Точка копію­вання може бути перед точкою зварювання або збоку від неї.

Переваги електромеханічних датчиків з різними перетворювача­ми — досить висока точність вимірювання, наочність контролю за правильністю функціонування датчика і висока надійність. Однак за наявності кінематичних зв'язків копіювальних поверхонь ліній із перетворювачами практично неможливе використання датчиків цих типів на з'єднаннях, підготовлених під зварювання з прихватками

через значне ускладнення їхньої конструкції. Зокрема, доводиться вживати заходів до захисту їх від полому при порушенні вимог до поверхонь виробів у зоні слідкування, помилкових діях оператора або збоях у роботі системи керування зварювальним устаткуванням. Крім того, попадання під щуп частинок флюсу, шлаку та бризок ме­талу, а також випадкові відхилення геометричних параметрів з'єд­нання, підготовленого під зварювання,— це джерела додаткових похибок такої слідкуючої системи. Потрібно також забезпечувати захист щупа від налипання у процесі зварювання бризок розплавле­ного металу.

Слідкуючі системи з електромеханічними датчиками доцільно за­стосовувати у таких випадках (див. рисунок Д.7): зварювання сти­кових з'єднань (тільки зі скосом кромок), напусткових і кутовихз'єднань із зовнішнього боку кута без прихваток і протікань металуз іншого боку; зварювання таврових з'єднань незалежно від наяв­ності прихваток. У всіх випадках висота скосу кромок або копію­вального уступу повинна бути не менш як 3 мм.

Від недоліків, які властиві системам із кінематичним зв'язком (за допомогою щупа, ролика та ін.) між виробом і зварювальною го­ловкою, вільні слідкуючі системи з фотоелектричними, телевізійними, електромагнітними та іншими датчиками.

Слідкуючі системи з фотоелектричними датчиками. Датчики цих систем належать до групи так званих відеосенсорів. Сигнал керування виникає при зміщенні датчика щодо контрастної лінії, меж відбиваю­чих або випромінюючих поверхонь та екрануючих елементів.

Так, відомі системи, де для відліку при визначенні положення сти­ку використовують: лінію цього стику, контрастну щодо поверхні зварюваного металу, або спеціальну контрастну копірну лінію (смугу), нанесену на поверхні виробу на постійній відстані від лінії стику; межу «чорно-біле» на колірній стрічці, наклеюваній на виріб; лінію, яка розділяє поверхні виробу з різною відбивною здатністю, наприклад при зварюванні встик двох листів, поверхня одного з яких або зачищена до металевого блиску або пофарбована. Можливе також використання для відліку зазора або кромки виробу, підсвічуваних з боку, зворотного розміщенню датчика. Розробляються слідкуючі системи, де датчиками визначається положення щодо зварювального пальника розігрітих кромок або зони підігрівання із зворотного боку з'єднання, або фактичне положення електрода щодо середини зазора [6].

Застосування фотоелектричних датчиків може грунтуватися на використанні відбитого світла випромінювання дуги, наприклад під час зварювання у захисних газах кутових швів. При напрямленні дуги точно за бісектрисою кута (рисунок 2.41) середньостатична освіт­леність у точках 1 і 2, що обрані на деякій однаковій відстані від кута, однакова.

При зміщенні дуги на один із зварюваних елементів однокоординатної коректувальної системи точки 1 і 2 освітлюються нерівномірно.

1, 2 — точки візування на горизонтальному і вертикальному зварюваних елементах; 3 —зва­рювальний пальник; 4 — трубчасті бленди; 5 — кабельні світловоди; 6 — датчик із двома фото-резисторами; 7 — підсилювач-формувач; 8 — пе­ретворювач привода; 9 — двигун і приводний ме­нанізм

Рисунок 2.41 – Схема сенсорної підсистеми, яка використовує відбите світлове випромінюван­ня зварювальної дуги (підсистему зображено у складі

Освітленість, що виникає, сприймається двома фоторезисторами, розміщеними у корпусі дат­чика 6. Недолік системи — неможливість автоматизації виходу на стик до початку зварювання. Крім того, недоліком цієї та інших систем, які грунтуються на порівнюванні освітленості поверхонь виробу, є залежність вихідного сигналу від стану поверхонь зварю­ваних елементів, що виявляється у змінюваності коефіцієнта відбит­тя, часто досить істотно, як від виробу до виробу, так і у межах одного виробу.

Перспективним є застосування датчиків, де освітлювачами вико­ристовують лазери, а чутливими елементами — перетворювачі у вигляді матриць і лінійок із фотоприймачів, які дають змогу у поєд­нанні з триангуляційним способом вимірювання, діставати за допо­могою засобів обчислювальної техніки інформацію не тільки про по­ложення, а й про геометричні параметри з'єднання: перевищення кро­мок, розмір зазора у стику, переріз форми підготовки кромок та ін.

Про великі можливості цього способу зокрема свідчать результати досліджень японських спеціалістів [13], якими показано, що, застосу­вавши вузькосмугові фільтри і розмістивши під оптимальним кутом щодо поверхні зварюваних листів лазерне джерело випромінювання і приймальну камеру (фотоприймач — твердотільна матриця), можна виявляти відбите лазерне випромінювання без перешкод від випромі­нювання зварювальної дуги і ванни, навіть якщо світлову пляму лазера розмістити у межах зварювальної ванни безпосередньо під зварювальною дугою.

Слідкуючі системи з телевізійними датчиками створюються на базі прикладних (промислових) телевізійних установок (ПТУ) зам­кненого типу. Так, у трубозварювальному виробництві вперше ши­роко застосували серійні ПТУ при зварюванні внутрішніх швів пря-мошовних труб діаметром 1220—1620 мм. Впровадження ПТУ на апа­ратах для тридугового зварювання під флюсом труб на струмах до 1000 А у кожній дузі виявилося можливим, оскільки ретельно були виконані вимоги щодо захисту апаратури і лінії зв'язку ПТУ від електромагнітних завад, захисту передавальної камери від нагрівання теплотою зварювальної дуги і зварюваного виробу, оптики пе­редавальної камери від газів, які виділяються під час зварювання, та від пилу.

Для реалізації телевізійного слідкування так само, як і дистан­ційного спостереження, треба, щоб спостережувана частина об'єкта ма­ла світлоконтрастні елементи, які подібні до тих, що

застосовують у фотоелектричних системах.

Рисунок 2.42 – Схема пристрою для реалі­зації методу світлового перерізу

При ви­користанні телевізійного слідкуван­ня значні складності виникають у зв'язку з світловими перешко­дами, зокрема, у вигляді світлоконтрастних подряпин, рисок, поли­сків та ін., які у реальних умовах можуть з'являтися у полі зору передавальної камери і спричинювати несправжній сигнал, а також нестабільність у часі освітленості спостережувальних об'єктів перш за все змінним світловим випромінюванням дуги (під час зварювання у захисних газах та без захисту дуги).

У телевізійних слідкуючих системах, які застосовуються у зва­рювальному виробництві, знайшли застосування два способи здо­буття інформації про положення зображення лінії (смуги, межі) на світлочутливому шарі передавальної трубки: а) за часовим положен­ням сигналу на періоді розгортки; б) за розміром струму розгортки. В обох випадках вимірювання можна здійснювати вздовж напряму як рядкової, так і кадрової розгортки.

Якщо потрібні для роботи фотоелектричних і телевізійних систем світлоконтрастні елементи на поверхні виробу відсутні, то застосову­ють спеціальні способи освітлення і виділення інформації про поло­ження лінії з'єднання. Так, при зварюванні стикових з'єднань із двобічною підготовкою кромок можливе застосування триангуляцій-ного методу вимірювання у поєднанні з методом світлового перерізу. У найпростішому випадку (рисунок 2.42) світловий потік від освітлювача 1 із прямолінійним світним тілом, розміщеним паралельно до поверхні виробу, частково екранується шторкою 2, розміщеною на відстані 10—15 мм від поверхні виробу 3. Як видно з рисунок 2.42, висота зобра­ження скосу кромок, спроекційованого при цьому на світлочутливу поверхню передавальної трубки 4, визначається співвідношенням

де k — коефіцієнт оптичного збільшення; h — висота скосу кромок; — кут, під яким тінь від шторки падає на поверхню виробу; — кут спостереження.

Найбільше збільшення при даному а матимемо, якщо = 90°. Сигнал передавальної трубки 4, перетворений у зображення-стику на екрані відеоконтрольного пристрою, дає змогу чітко роз­різняти і, якщо потрібно, вимірювати такі геометричні параметри: площу перерізу форми підготовки кромок; зазор або відстань між поверхнями скосу кромок на заданій глибині; взаємне перевищення поверхонь зварюваних елементів. Метод світлового перерізу можна використовувати для здобуття інформації та адаптивного керування параметрами процесу зварювання. Світловий переріз можна здійсни­ти також світловою площиною, поданою рухомим точковим променем (рисунок 2.43, а), або стаціонарним щілинним.

Метод світлового перерізу можна використовувати для здобуття інформації та адаптивного керування параметрами процесу зварювання.

а — схема, що пояснює суть методу; б — зображення на екрані відеоконтрольного пристрою; в—напрям освітлення і зображення за різних типів з'єднань;1 — зварювані елементи; 2 — освітлена лінія ABECD на поверхні зварюваних елементів; 3 — сканувальне дзеркало; 4 — коліматор; 5 — відеосенсор; 6 — світлодіод; 7 — матричний фотоприймач; 8 — об'єк­тив; 9 — стикове з'єднання зі скосом кромок; 10 — стикове з'єднання із зазором; 11 — тав­рове з'еднання; 12 —

Рисунок 2.43 – Триангуляційний метод вимірювання положення лінії з'єднання за до­помогою відео сенсора

Світловий переріз можна здійсни­ти також світловою площиною, поданою рухомим точковим променем (рисунок 2.43, а), або стаціонарним щілинним променем чи стаціонарною світлотіньовою межею.

Картина, що сприймається матричним чи іншим двомірним фо­топриймачем, визначається за типом з'єднання (рисунок 2.43, б, в). Слід лінії з'єднання виразно видно і, отже, його координати щодо

датчика можна визначити. Фактичні зміщення лінії з'єднання за координатами Y_е та Z_e пов'язані з видимими на відеоконтрольному пристрої (координати та ) такими співвідношеннями:

де — коефіцієнт оптичних перетворень і перетворень відеосигна-лу у зображення; — коефіцієнт триангуляції.

У системах, де застосовується триангуляційний метод, можна також визначити зазор у з'єднанні (перевищення кромок ) та переріз обробки (площа трикутника В'С'Е' з урахуван­ням коефіцієнтів k_{0 в} та k_rp) або заплавлюваної частини з'єднання (для кутових з'єднань ззовні).

Слідкуючі системи з електророзрядними датчиками грунтуються на використанні електричного кола, утворюваного щупом-електро-дом, виробом і електричним розрядом (наприклад, дугою) між ними. Як щуп-електрод можна використовувати спеціальний електрод, розміщений попереду точки зварювання, або зварювальний електрод. Останній варіант найперспективніший.

Використання зварювальної дуги як датчика положення зварю­ваного з'єднання грунтується на вимірюванні параметрів дугового процесу, які залежать від відстані між кінцем електрода і поверх­нею виробу. При зварюванні плавким електродом як основний ін­формаційний параметр використовується зварювальний струм. При зварюванні неплавким електродом із застосовуванням джерела жив­лення з крутоспадаючою характеристикою інформативнішим парамет­ром є напруга дуги. При зварюванні плавким електродом із корот­кими замиканнями дугового проміжку можуть виявитися ефективними методи вимірювання, які використовують як інформативний пара­метр частоту коротких замикань або їхню шпаруватість.

Тип слідкуючої системи з використанням зварювальної дуги як датчика значною мірою визначається технологією, технікою зва­рювання та конструкцією зварювальної апаратури. Так, безперервне вимірювання без сканування можна застосовувати, якщо за техноло­гією допустиме зварювання двома електродними дротами (розщеп­леним електродом), розміщеними впоперек лінії з'єднання. При цьому як сигнал положення пари електродів щодо зварюваного з'єднання ви­користовується різниця двох струмів, що течуть через електродні дроти [6]. Ці системи можна застосовувати при зварюванні стикових швів зі скосом кромок і різних кутових швів.

Значно ширші можливості надає вимірювання зі скануванням ду­гою упоперек лінії з'єднання. Сканування може здійснюватися рухомзварювального пальника (зворотно-поступальним чи коливальним)або дією на дугу керованим магнітним полем.

Вимірюючи параметри дугового процесу у часі і співставляючи результати вимірювання з фазою сканування, можна дістати інформацію про положення характерних елементів зварюваного з'єд­нання (зазора, кромок, верхньої кромки та ін.). У зв'язку із значною випадковою складовою у параметрах дугового процесу ефективним буде порівняння інтегральних значень параметрів на суміжних на-півперіодах сканування.

В електромеханічних скануючих пристроях режим сканування повинен бути узгодженим із потрібною технологією і технікою зва­рювання, виходячи з умов формування зварного шва із заданими параметрами. У цьому разі параметри розгортки (амплітуда, частота, форма траєкторії) визначаються вимогами технології і для розроб-лювача системи слідкування є заданими. При скануванні під час від­хилення дуги електромагнітним полем параметри розгортки можна обирати у ширших межах, оскільки частота відхилення дуги може бути значно більшою, а час перебування дуги у відхиленому стані — меншим, ніж за електромеханічного сканування.

Системи з використанням зварювальної дуги як електророзрядного датчика перспективні завдяки таким їхнім основним перевагам:а) вимірювання здійснюється безпосередньо у точці зварювання,що виключає запам'ятовування здобутої інформації за будь-яких форм лінії з'єднання; б) у зоні зварювання відсутні будь-які вимірювальніпристрої; в) керування безпосереднім положенням дуги виключає вплив таких факторів: спрацьованість струмопідводу, відхилення вільного кінця електродного дроту тощо, які не можна врахувати у більшості інших видів систем.

До систем слідкування, у яких використовуються електророз-рядні датчики, можна віднести і систему автоматики, в якій, щоб діста­ти інформацію про положення зварювальної головки відносно стику, використовують дані, що характеризують розподіл зварювальних бризок у поперечному відносно стику перерізі при зварюванні плав­ким електродом у середовищі захисних газів. Інтенсивність розбриз­кування металу залежить від параметрів режиму зварювання, роду і марки металу електрода (присаджувального дроту) і стабільності процесу зварювання. Розбризкування характеризується частотою і розміром крапель (бризок) металу. Дослідним шляхом знайдено, що при зміні положення електрода щодо середини зварюваного стику виникає несиметрія у розподіленні зварювальних бризок у попереч­ному щодо стику перерізі в зонах І—IV (риснок 2.44, а).

Досить чітко це явище виявляється при зварюванні стиків із V-, Х-, Y- і U-пo­дібними формами підготовки кромок. Саме вловлювання зварюваль­них бризок можна здійснити за допомогою двох мідних півкруглих сегментів 3, розміщених із двох боків зварювальної головки (рисунок 2.44, б). Обидва сегменти ізольовані один від одного і від зварювальної головки. Імпульси напруги, що виникають при попаданні на такі сегменти бризок металу, перетворюються у вимірювальному колі на електричні сигнали (рисунок 2.44, в). Ці сигнали характеризуються амп літудою, тривалістю та інтервалами між ними. Для керування поло­женням зварювальної головки використовуються дані не про абсолют­ні значення цих сигналів, а про їхню різницю, яка утворюється на виході диференціального підсилювача. Його вихідний сигнал подається до блоку керування переміщенням зварювальної головки. Для випадків зварювання стиків із V-подібною формою підготовки кромок похибка слідкування не перевищує ±2 мм.

а — розподіл зварювальних бризок для V-подібного стику; б — датчик системи; в — функціональна схема пристрою для здобуття сигналу керування; U^, Uц — сигнали лівого і правого сегментів датчика відповідно; t — час; 1 — електрод; 2 — дуга; 3 — сегменти датчика; 4 — зварювальні бризки; б — зварюваний виріб; 6 — джерело живлення для відсмоктування бризок; 7 — підсилювачі; 8 — пе­ретворювачі; 9 — оптичні зв'язки; 10 — диференціальний підсилювач; ± U , U в — живильна і вихідна напруги відповідно.

Рисунок 2.44 – Система автоматики з датчиком кількості зварювальних бризок.

Для керування поло­женням зварювальної головки використовуються дані не про абсолют­ні значення цих

сигналів, а про їхню різницю, яка утворюється на виході диференціального підсилювача. Його вихідний сигнал подається до блоку керування переміщенням зварювальної головки. Для випадків зварювання стиків із V-подібною формою підготовки кромок похибка слідкування не перевищує ±2 мм.

Слідкуючі системи з електромагнітними датчиками найпошире­ніші. Електромагнітні датчики можуть бути використані для ви­значення положення: стику без спеціальної підготовки кромок, кромки верхнього листа напусткового з'єднання, скосів кромок; для вимірювання відстані до поверхні зварювальних елементів, шири-

а — кутове (із середини); б — таврове з однією вузькою полицею; в — стикове; г — стикове у вузький глибокий зазор; д — стикове з під­готовкою кромок; 1 — напрям переміщення; 2 — датчик; 3 — вісь зварювального електрода

Рисунок 2.45 – Типи і конструктивні різновиди з'єднань

ни зазора, перевищення кромок, а також визначення положення по­чатку і кінця зварюваного виробу або нрихваток. Обираючи різні положення датчиків щодо поверхонь зварюваних елементів, можна використовувати ці датчики при зварюванні різних з'єднань та їхніх різновидів (рисунок 2.45, а — д).

Електромагнітний датчик для визначення положення стику зва­рюваних кромок конструктивно може складатися із Ш-подібної маг­нітної системи і трьох обмоток (рисунок 2.46, а). Обмотка 3, розміщена на середньому стержні, живиться від джерела підвищеної частоти. Змінне магнітне поле, утворюване обмоткою З, наводить у кромках зварюваного виробу вихрові струми. Непровідний зазор між кромками поділяє вихрові струми на два контури (рисунок 2.46, б). Результуюче магнітне поле датчика створюється не тільки струмом, який протікає обмоткою 3, а й вихровими струмами.

Рисунок 2.46 – Принцип роботи електромагнітного датчика

При симетричному щодо датчика розміщенні зазора контури вихрових струмів рівні, симетричні і І₁ = І₂.

Відповідно рівні маг­нітні потоки Ф₁ і Ф₂, які пронизують вимірювальні обмотки 1 і 2 і,

отже, рівні і ЕРС, які наводяться у них. При зустрічному вмиканні обмоток 1 і 2 сигнал на виході датчика дорівнює нулю.

При несиметричному розміщенні датчика щодо стику (рисунок 2.46, в) контурних вихрових струмів виявляються різними струми . Це призводить до порушення рівності магнітних потоків Ф₁ та Ф₂ і виникненню на виході датчика ЕРС Е, яка сигналізує про відхилен­ня середньої площини датчика від площини стику. Напрям відхилення датчика від стику можна визначити за зсувом фази ЕРС щодо струму, який протікає обмоткою 3. При зміні відхилення на протилежне фа­зовий зсув ЕРС змінюється на 180°.

Такі електромагнітні датчики найефективніше використовувати для визначення положення стику при зварюванні стикових з'єднань без спеціальної підготовки кромок.

На вихідний сигнал датчика впливають: координати стику; від­хилення геометричних параметрів з'єднання, підготовленого під зварювання; властивості матеріалів виробу; відмінності електричних і магнітних властивостей матеріалу заготовок, спричинені змінами хімічного складу і умовами попередньої механічної обробки; характе­ристики навколишнього середовища і процесу. При зварюванні сти­кових швів значний вплив на вихідний сигнал датчика виявляє вза­ємне перевищення кромок.

Щоб зменшити похибку датчика, яка виникає при перевищенні кромок, можна використати різні схемні і конструктивні способи компенсації [6]. Наприклад, магнітопровід датчика виконують із трьох частин (рисунок 2.47): центральної Ш-подібної і двох бічних П-подібних, які відокремлені від центральної немагнітними проклад­ками. На середньому стержні розміщується обмотка збудження 1. На проміжних частинах Ш-подібного магнітопроводу розміщуються ви­мірювальні, зустрічноввімкнені обмотки 2, а на крайніх магнітонро-водах розміщуються додаткові компенсуючі обмотки 3, з'єднані зустрічно-послідовно з суміжними вимірювальними обмотками. Си­гнал на виході додаткових обмоток залежить тільки від зміни переви­щення кромок і компенсує складо­ву сигналу вимірювальних обмоток, залежну від перевищення кромок. У результаті вихідний сигнал дат­чика визначається його положенням щодо стику і не залежить від пере­вищення кромок.

Рисунок 2.47 – Схема електромагнітного дат­чика з компенсуючими обмотками

Відомі системи із скануючими електромагнітними датчиками, які у поєднанні з обробкою сигналу датчика засобами обчислювальної техніки дають змогу розширювати

можливості електромагнітного методу вимірювання. Зокрема, вихідний сигнал такого датчика дає інформацію про його положення не тільки щодо осі стику, а й щодо початку стику і поверхні металу у зоні стику, про наявність і перевищення кромок у стику, про наявність прихватних швів по довжині зварюваного стику і досягнення датчиком кінця стику.

Розширення можливостей електромагнітного методу вимірювань можливе не лише за рахунок введення сканування, а й через засто­сування датчиків, які конструктивно складаються із ряду однотип­них чутливих елементів. Так, розроблено індукційний датчик, що є системою, яка складається із чотирьох чутливих елементів (тран­сформаторного типу) з однаковими характеристиками, симетрично роз­міщених у мідній втулці, концентричній зварювальному пальнику. Для розміщення чутливих елементів у корпусі втулки вифрезеровано чотири гнізда розміром 15 X 28 мм і канали для підведення охолодної води. За допомогою такого датчика можна здійснювати автоматичне напрямлення головки по осі кутових швів із стінками висотою не менш як 40 мм (визначається конструктивними розмірами даного датчика), визначати початок і кінець кутового шва, початок і кінець місця зварю­вання при наявності поперечної стінки, перпендикулярної до осі шва.

Для розглянутих електромагнітних датчиків частота напруги жи­влення обмотки збудження може бути від одного до кількох десятків кілогерц, що дає змогу звести до мінімуму вплив на вихідний сигнал датчика електромагнітних полів промислової частоти.

Слідкуючі системи з фотопірометричними, ультразвуковими та іншими датчиками. Системи з фотопірометричними датчиками застосовують під час зварювання спіральношовних труб, якщо тепло­ту нагрівання зони з'єднання при зварюванні першою головкою вико­ристовують для вимірювання положення стику датчиками наступних зварювальних головок.

Можлива побудова системи автоматичного напрямлення електрода по стику з ультразвуковими датчиками. Структура такої системи по­казана на рисунок 2.48. Два п'єзодатчики (п'єзощупи) 3 і 5 встановлюють­ся на зварювані деталі 1 і 2 з обох боків від стику і на однаковій відстані від нього. Обидва датчики жорстко зв'язані зі зварювальною головкою 4, знаходяться на однаковій відстані від неї і за напрямом зварювання розміщені дещо попереду зварювального електрода. Дви­гуном 7 через редуктор 6 система, що складається із зварювальної головки та п'єзодатчиків, може переміщуватись праворуч і ліворуч впоперек зварюваного стику. Керування роботою електродвигуна 7 здійснюється підсилювачем потужності 8 за сигналами, які надходять із виходу електронного блоку 9.

Блок 9 містить генератор для живлення датчиків 1 і 2, схему порівняння часу надходження, відбитих від стику, ультразвукових сигналів і схему перетворення різницевого часового сигналу у поляр-

Рисунок 2.48 – Слідкуюча система з ультразвуковими датчиками

ний сигнал, що характеризує зміщення зварювального електрода від стику. У разі нерівності часів надходження відбитих від стику сигналів на виході блоку 9 з'являється полярний сигнал, який під­силюється блоком 8 за амплітудою і потужністю, і подається до дви­гуна 7. Переміщення у поперечному напрямі двигуном 7 зварювальної головки 4 відбувається до моменту рівності часів надходження сигналів до обох датчиків.

У системі, яка розглядається, не виникає похибок від наявності перевищення зварюваних кромок і змін зазора у стику. У цій системі головний зворотний зв'язок здійснюється у вигляді жорсткого меха­нічного з'єднання між датчиками і зварювальною головкою. Для по­ліпшення динамічних характеристик системи у ній можна застосувати місцеві зворотні зв'язки. Сигнали для них можна дістати на виходах

відповідних блоків системи і через блок (блоки) перетворення 10 подати до входів відповідних блоків (на рис. 2.48 показані штрихови­ми лініями).

Найістотнішою перешкодою для широкого застосування у про­мисловості систем слідкування з ультразвуковими датчиками є те, що введення ультразвуку до контрольованого об'єкта та приймання відбитих сигналів реально поки що можливе за допомогою рідкого середовища, наприклад води; потрапляння її частинок або парів до зварюваного шва може ініціювати появу в ньому дефектів і спричи­нити забракування зварного шва. Однак роботи у цьому напрямі перс­пективні і, зокрема, із результатів досліджень американських спе­ціалістів [46] випливає, що за допомогою ультразвуку поряд з ін­формацією про положення стику можна також дістати інформацію про розміри проплавлення і форму зони проплавлення.

Відомі і інші способи вимірювання положення стику зварюваних кромок щодо зварювальної головки, зокрема, за допомогою пне­вматичних, ємнісних, іонізаційних, акустичних та інших датчиків.

З аналізу особливостей різних слідкуючих систем випливає, що спосіб вимірювання положення стику зварюваного з'єднання, дат­чик та його конструкцію можна обирати, враховуючи такі основні фактори: тип зварного з'єднання; габаритні розміри вільного простору у зоні, що прилягає до з'єднання; матеріал виробу; ха­рактер його поверхні і кромок, які підготовлено під зварювання; особливості технологічного процесу виготовлення виробу. Багато з розглянутих способів вимірювання положення з'єднання щодо елек­трода використовують у системах адаптації роботів для дугового зварювання.

Основні вимоги до зварювального устаткування, оснащеного слідкуючими системами:

1. Між зварювальним інструментом (пальником, мундштуком) і датчиком повинна бути мінімальна кількість проміжних елементів, а взаємне положення електрода і датчика не повинно змінюватися під дією зусиль подавання дроту (наприклад, якщо дріт, який пода­ється, упирається у поверхню виробу при збудженні дуги), вібрації, випадкових механічних дій. Найкращим у цьому значенні вирішен­ням буде кріплення датчика у нижній частині зварювального інстру­менту.

2. Можливість настроювання (підстроювання) взаємного поло­ження зварювального інструменту та нейтрального положення датчи­ка (вимірювального пристрою) при налагодженні та під час зварю­вання.

3. Перехід до ручного керування коректувальними переміщеннями у разі несподіваного виходу з ладу слідкуючої системи існує для того, щоб завершити зварювання виробу. Для цього установка, вер­стат, зварювальний автомат повинні забезпечувати можливість спо­стерігання за суміщенням зварювального інструменту із зварюваним з'єднанням і бути обладнаними відповідною апаратурою керування та індикації.

4. Маса рухомих частин, які переміщуються приводами слід­куючої системи, повинна бути мінімальною. У цьому зв'язку най­кращим вирішенням при використанні слідкуючих систем є виконан­ня коректувальних переміщень тільки зварювальним інстру­ментом.

5. Маніпуляційна система і базові (нерухомі) елементи зварю­вального устаткування, а також їхні з'єднання повинні мати підви­щену жорсткість.

6. Кінематичні кола і напрямні механізмів коректувальних переміщень повинні складатися з мінімальної кількості елементів, не мати люфтів і забезпечувати найменшу різницю між опором перемі­щенню у русі та під час зрушення з місця.