2.10 Універсальні та спеціалізовані зварювальні автомати

Одним із основних напрямів у розробленні устаткування для дуго­вого зварювання є створення зварювальних автоматів із технологіч­ними головками, які встановлюють на маніпуляторах зварювально-транспортного переміщення різних виконань.

Сучасні зварювальні автомати характеризуються модульними гнучкокомпонованими конструкціями [25], які легко адаптуються до різних технологій, форм і типорозмірів виробів, потрібного рівня автоматизації, і є сукупністю таких модулів (рисунок 2.49): технологіч­ного; зварювально-транспортного переміщення (ЗТП); адаптації, системи керування.

Технологічний модуль є системою забезпечення ду­гового процесу і реалізується у таких модифікаціях: модуль зварюван­ня в захисному газі; модуль зварювання під флюсом; модуль зварю­вання неплавким електродом.

Модулі мають ряд типорозмірів залежно від значень зварювального струму (315; 360; 1000; 1600 А) і ряд конструктивних компонувань залежно від кількості зварювальних дуг (одна, дві, три).

Модуль ЗТП (його виконавчі механізми) забезпечує тран­спортне переміщення на маршевих швидкостях технологічного модуля у зону зварювання і його робоче переміщення зі зварювальною швид­кістю. Структурно модуль може складатися з механізмів прямолі­нійного переміщення і розвороту ряду типорозмірів, розрахованих на різну вантажопідйомність і різні переміщення. Залежно від типу систем керування механізми обладнуються відповідним набором датчиків положення і швидкості.

Рисунок 2.49 – Структура автоматів для дугового зварювання

Модуль системи адаптації у структурі

зварювальчого автомата забезпечує автоматичний пошук місця початку зварювання і слідкування за положенням електрода щодо осі стику і вильоту електрода у процесі зварювання. Модуль адаптації складається із супортів переміщення зварювальної головки, блоку формування сигна­лів керування відповідними приводами і датчика положення електрода щодо стику. Модуль адаптації залежно від виду датчика має такі модифікації: електромеханічна система слідкування; індукційна система слідкування; дугова система слідкування; телевізійна си­стема спостереження; лазерна система слідкування.

Модуль системи керування реалізує алгоритм ке­рування за забезпеченням переміщень, позиціювання та цикла зва­рювання. Залежно від рівня автоматизації, параметрів траєкторії стикового з'єднання (кривини, довжини), а також технології зварю­вання модуль системи керування має три модифікації: модуль авто­матизованого керування; модуль автоматичного циклового керуван­ня; модуль автоматичного контурного керування.

Структурно модуль системи керування складається з контролера, який забезпечує програмно-логічний цикл роботи автомата і системи приводів виконавчих механізмів.

Технологічний модуль конструктивно об'єднує зварювальний пальник, або мундштук, механізм подавання електродного дроту, газову або флюсову системи, касету для електродного дроту, джерело зварювального струму. Крім того, технологічний модуль може ос­нащуватись допоміжним інструментом, наприклад для зачищення поверхні кромок.

Модуль ЗТП залежно від розв'язуваних завдань може мати різний набір механізмів переміщення та розгортання, забезпечуючи різні компонування зварювальних автоматів, наприклад стаціонарних автоматів типу АД238 (рисунок 2.50).

У компонуванні типу підвісна головка (рисунок 2.50, а) модуль ЗТП відсутній. Це компонування використовується при зварюванні тіл обертання, якщо зварювальне переміщення реалізується за допомогою обертача виробу.

У компонуванні типу самохідний автомат (рисунок 2.50, б) модуль ЗТП складається з одного механізму прямолінійного переміщення. Зварювальна головка 1 встановлюється на рухомій каретці 2, балка 3 закріплюється нерухомо. Компонування дає змогу використовувати апарат для оснащення робочих місць і установок для зварювання ба­лочних конструкцій.

У компонуванні типу шепінг (рисунок 2.50, в) модуль зварювально-транспортного переміщення складається, як і у попередньому ком­понуванні, з механізму прямолінійного переміщення. Зварювальна головка 1 встановлюється на рухомій балці 2 механізму. Каретка ме­ханізму нерухома. Це компонування дає змогу владнувати апарат у лінію, де позиціювання виробу на місці зварювання здійснюється

а — підвісна головка; б — самохідний автомат; в — шепінг; г — консольне; д — напівпортал; е — консольне поворотне

Рисунок 2.50 – Варіанти компонувань зварювальних автоматів стаціонарного типу

за допомогою прямоточного конвейєра, і призначене для зварювання коротких швів (до 1,5 м).

У компонуванні типу консольне (рисунок. 2.50, г) та півпортал (рисунок 2.50, д) модуль ЗТП складається з двох взаємопов'язаних ме­ханізмів прямолінійного переміщення. У компонуванні типу напів­портал зварювальний пальник закріплюється на рухомому візку. У компонуванні типу консольне зварювальна головка встановлюється на рухомій балці. Дані компонування дають змогу використовувати апарати для оснащення установок і ліній зварювання, як правило, площинних і корпусних конструкцій.

У компонуванні на рисунок 2.50, е модуль ЗТП має механізм розгор­тання, який дає змогу обслуговувати дві зварювальні позиції.

До складу модуля можуть входити система слідкування на

основі різних датчиків і телевізійна система спостереження. На рисунок 2.51 показано варіанти компонувань датчиків слідкуючих систем модуля адаптації на базі зварювальних головок автоматів типу АД400.

Датчик електромеханічної системи слідкування (рисунок 2.51, а) жорстко з'єднаний із пальником і у процесі роботи щупом копіює кромки з'єднання, висота яких при цьому не повинна бути меншою за 1 мм. Такий датчик оснащується набором змінних щупів для за­безпечення можливості копіювання стикових зі скосом кромок куто­вих, таврових і напусткових з'єднань.

Особливість датчика індукційної системи слідкування (рисунок 2.51, б) полягає в тому, що взаємодія з об'єктом здійснюється на базовій відстані, тобто безконтактно. Як первинний перетворювач тут використовується зондуючий магнітний потік від низькочастотного трансформатора (діапазон частот 30—40 кГц), магнітопровід якого замикається через зварюваний виріб, а вторинна напруга залежить від відстані до його поверхні (див. 2.9).

Комплект індукційних датчиків дає змогу копіювати кутові, таврові і напусткові з'єднання. Індуктивне зондування беззазорового з'єднання здійснюється пер­винним перетворювачем із котушкою (рисунок 2.51, в), яка реагує на поле розсіювання у області стику, що наводиться високочастотним транс­форматором (діапазон частот 40—50 кГц). У цьому разі положення максимуму поля розсіювання відповідає положенню стику. В основі роботи дугової системи адаптації (рисунок 2.51, г) лежить аналіз електричних параметрів технологічної дуги, яка здійснює зворотно-поступальне переміщення упоперек стикового з'єднання.

1 — зварювальна головка; 2 — супорт двокоординатний; 3 — електромеханічний датчик; 4, 5 — індукційний і електромагнітний датчики відповідно; 6...8— дугова, телевізійна і лазерна системи слідкування відповідно

Рисунок 2.51 – Типи компонувань систем слідкування зі зварювальними голов­ками (серії АД400)

Електрод переміщується упоперек кромок, доки відстань між нимі однією з кромок (або стінкою кутового з'єднання) не досягає наперед заданого значення (порогу), що фіксується первинним перетворюва­чем через вимірювання відповідного порогу струму (див. рис. Д.8) або напруги дуги. При цьому обирається сигнал на реверс переміщен­ня електрода і- тим самим відбувається обмеження його амплітуди коливання. У цьому разі привод коливань провадить автоматичне ведення електрода за стиком кромок із урахуванням його форми і па­раметрів, тобто у даній системі здійснюються елементи як геометрич­ної, так і технологічної адаптації, що дає змогу, керуючи режимом зварювання, зварювальним струмом, напругою і швидкістю зварю­вання, забезпечувати рівномірне заплавлення стику кромок. Систему доцільно використовувати при зварюванні стикових з'єднань із змін­ним зазором між кромками.

В основі конструкції датчика (рисунок 2.51, д) телевізійної системи спостереження лежить використання серійної прикладної телевізій­ної установки, оснащеної спеціальними пристроями, які дають змогу сумістити телевізійну камеру з технологічним середовищем дугового процесу.

Датчик типу лазерної системи слідкування (рисунок 2.51, е) грун­тується на формуванні в області робочого поля структурованого освітлення у вигляді лінійного світлового зонду і реєстрування ви­кривлення його зображення на поверхні виробу елементами зварю­ваного стику. Система дає змогу здійснювати гпараметрами стику кромок.

На рисунок 2.52 подано узагальнену структуру апаратних засобів системи керування зварювальним автоматом, яка дає змогу залежно від зарахованих до її складу пристроїв забезпечувати різні види ке­рування.

Модуль автоматизованого керування бу­дується на базі спеціалізованого контролера зварювального циклу і привода зварювально-транспортного переміщення, керованих опе­ратором-зварником.

Модуль автоматичного циклового керуван­н я будується на базі серійного мікропроцесорного пристрою ке­рування і системи слідкуючих приводів виконавчих механізмів.

Рисунок 2.52 – Структура системи керування зварювальним

Автоматом (типу АД400)

Ця система дає змогу здійснювати ведення зварювального електрода по стику, який має прямолінійні ділянки, що розміщені під невеликими кутами щодо напряму зварювального переміщення. При цьому про­грамування траєкторії переміщення здійснюється відповідним роз­міщенням позиційних датчиків на модулі ЗТП.

Модуль автоматичного контурного керу­вання будується на базі серійного мікропроцесорного пристрою керування, що має більший запас обчислювальних потужностей, ніж за циклового керування, і системи слідкуючих приладів виконавчих механізмів. Ця система дає змогу здійснювати ведення зварювального електрода по стику, який має криволінійні ділянки. При цьому про­грамування траєкторії переміщення здійснюється за допомогою датчиків шляху і мікропроцесорного пристрою. Система також дає змогу запам'ятовувати і відтворювати при дальших проходах тра­єкторію зварювального переміщення або компенсувати транспортне запізнення між датчиком і зварювальним пальником.

Подану на рисунок 2.52 структуру САК покладено в основу створення як універсальних (серії АД1400, АД238, АД400), так і спеціалізованих зварювальних автоматів стаціонарного типу (серії АД170, АД266 І АД271).

Автомати серії А1412 і А1416 (рисунок 2.53) призначені для зварюван­ня балочних площинних конструкцій. Ними оснащуються робочі місця, механізовані установки і лінії. Автомати побудовано з єдиного ряду уніфікованих вузлів і вони відрізняються тільки компонуванням технологічних модулів [21]. Наведення електрода на зварюваний стик провадяться вручну.

1 — механізм подавання електродного дроту; 2 — флюсоапарат; 3 — котушка 9 гальмом; 4 — самохідний візок; 5, 6 — механізми поперечного настроювання і під­няття відповідно

Рисунок 2.53 – Однодуговий автомат А1416

Автомати серії АД238 (рисунок 2.54) призначені для зварювання великогаба­ритних корпусних конструкцій. Ними обладнуються автоматизовані установки і лінії. Комплект механізмів модуля ЗТП дає змогу утворити п'ять компо­нувань автомату 64-х типорозмірів. Модуль адаптації побудовано на базі елек­тромеханічного потенціометричного дат­чика, за допомогою якого за програмою системи керування можна провадити розкладання валків багатопрохідних швів. Автомати оснащено системою ав­томатичного циклового керування.

1 — пальник; 2 — механізм подавання; 3 — касета; 4, 5 — супорти вертикального і горизонтального пе­реміщень відповідно; б — датчик слідкування

Рисунок 2.54 – Автомат АД238 (компонування «під­вісна головка»):

Автомати серії АД238 (рисунок 2.54) призначені для зварювання великогаба­ритних корпусних конструкцій. Ними обладнуються автоматизовані установки і лінії. Комплект механізмів модуля ЗТП дає змогу утворити п'ять компо­нувань автомату 64-х типорозмірів. Модуль адаптації побудовано на базі елек­тромеханічного потенціометричного дат­чика, за допомогою якого за програмою системи керування можна провадити розкладання валків багатопрохідних швів. Автомати оснащено системою ав­томатичного циклового керування.

Автомати серії АД400 призначені для зварювання балочних, площинних і корпусних конструкцій. Ними можуть комплектуватися робочі місця, механізовані і високоавтоматизовані установки і лінії. Автомати можуть оснащуватися системами керу­вання трьох рівнів: автоматизованою, автоматичною цикловою та автоматичною контурною.

Рівень автоматизації зварювального процесу k_p, який досягається застосуванням автоматів типу АД238, АД400, можна оцінити за прикладом їхнього застосування при виготовленні корпусної кон­струкції, для якої повні нормативні трудомісткості виконання робіт під час ручного і автоматизованого зварювання становлять відповідно T_j = 32,9 і T_і = 29,7 нормо-год. Для цього прикладу коефіцієнти зведення нормативної трудомісткості робіт із урахуванням підвищен­ня швидкості зварювання більш як в 4 рази становлять відповідно П_j = 1 і П_і = 2,6. Тоді, згідно з формулою (1.1),

За приклад спеціалізованих зварювальних автоматів можуть правити розроблений у ІЕЗ ім. Є. О. Патона АН України і впровадже­ний на вітчизняних заводах комплекс трубозварювальної апаратури з високим рівнем автоматизації зварювального процесу, що забез-

1, 2 — технологічна і робоча зварювальні головки відповідно; 3 — пульт керуван­ня; 4, 5 — механізми вертикального переміщення і подавання відповідно; 6 --каретка; 7 — балка;

8 — датчик

Рисунок 2.55 – Апарат АД266 для сумісного зварювання зовнішніх технологіч­них і робочих швів труб

печуе практичне застосування ехнологій багатодугового зварю­вання і підвищення продуктивності при скороченні кількості устат­кування, обслуговуючих працівників і зайнятої поточною лінією площі у трубозварювальному цеху.

З метою реалізації автоматом кількох технологічних процесів із використанням типових вирішень і уніфікованих вузлів розроблено шестидуговий апарат АД266 (рис. 2.55) із двома головками для зва­рювання технологічного і робочого шва одночасно на складальному

стані труб. Перша (дводугова) є технологічною, а друга (чотири­дугова) — робочою зварювальною головкою. Обидві головки можуть установочно переміщуватися по вертикалі. Підвіски головок кінематично з'єднані з загальним приводом коректування впоперек шва, який оснащено автоматичною слідкуючою системою з електро­механічним датчиком. Крім того, робоча зварювальна головка осна­щена додатковим механізмом відносного поперечного коректування головок між собою і введення поправки на збільшення поперечного переміщення робочої головки порівняно з технологічною, пропор­ційно віддаленню їх від напрямного ножа, який орієнтує трубну заготовку у складальному стані. Апарат має загальну схему керуання для обох головок і обслуговується одним оператором.

Модульний принцип, який покладено в основу створення сучас­ної зварювальної апаратури, дає змогу істотно скоротити час на проектування апаратів нового призначення, зменшити цикл їхнього виготовлення і впровадження, зробити простішим обслуговування і експлуатацію устаткування, підвищити надійність керування і ста­білізувати на цій основі якість зварних з'єднань.