Технические науки/ 12.Автоматизированные системы управления на производстве

Мосейкова М.С.

Донецкий национальный технический университет

Разработка концепции построения системы автоматического управления сварочным аппаратом

 

Сварка под флюсом является наиболее распространенной из всех видов  в нашей стране. Механизированная сварка под флюсом является одним из основных способов сварки плавлением. Если в первые годы освоения сварку под флюсом применяли только при изготовлении сварных конструкций из низкоуглеродистых сталей, то сейчас успешно сваривают низколегированные, легированные и высоколегированные стали различных классов, сплавы на никелевой основе. Освоена сварка под флюсом титана и его сплавов. Под флюсом сваривают медь и ее сплавы. По флюсу, а в последние годы и под флюсом сваривают алюминий и его сплавы. Изделия, полученные сваркой под флюсом, надежно работают при высоких температурах и в условиях глубокого холода, в агрессивных средах, в вакууме и в условиях высоких давлений.

Автомат типа АДС-1000 тракторного типа предназначен для автоматической дуговой сварки под флюсом на постоянном токе. Автоматом с наклонным электродом можно сваривать продольные швы, стыковые, угловые и нахлесточные соединения «в лодочку», рас­положенные на горизонтальной и наклонной поверхностях (до 15° к горизонту).

Сварочный трактор (рисунок 1) представляет собой самоходную тележку 1, на которой смонтированы сварочная головка 7 с бункером 4 для флюса, барабан 2 для электродной проволоки и пульт управле­ния 3.

Электродная проволока, предварительно уложенная в бара­бан 2, проходит через подающие ролики 5 головки и далее через рих­тующие ролики 6, направляющие проволоку через токоподвод 9 в зону сварки.

 

Рисунок 1. Конструкция автомата.

 

Подающие ролики 5 через редуктор приводятся во враще­ние электродвигателем 12 постоянного тока с плавно регулируемой скоростью вращения. Электродная проволока сжата между двумя по­дающими роликами 5, взаимосвязанными при помощи шестерен. Один из роликов укреплен на конце рычага 2, усилие прижатия кото­рого регулируется спиральной пружиной 10 с помощью гайки. Верх­ний ролик, предназначенный для рихтовки, может устанавливаться в положение, обеспечивающее необходимую степень выпрямления.

Токоподвод 9 сварочной головки 7 укреплен на цилиндри­ческих направляющих 8 для перемещения его в вертикальном на­правлении. Токоподвод состоит из двух контактных колодок, прижи­маемых друг к другу пружинами, усилие которых регулируется вин­тами.

Сварочный автомат типа АДС-1000 относится к классу автоматов с зависимой скоростью подачи электродной проволоки. В таких автоматах применяется система автоматического регулирова­ния напряжения на дуге (АРНД). При сварке плавящимся электродом в этих системах для стабилизации длины дуги используется сигнал обратной связи по напряжению дуги для регулирования скорости по­дачи. Систему АРНД с воздействием на скорость подачи целесооб­разно применять в тех случаях, когда предъявляются повышенные требования по точности стабилизации напряжения (сварка и наплавка под керамическими флюсами, прецизионная наплавка легированного слоя и т.д.). Питание дуги производится от источника питания с круто­падающей внешней характеристикой. При этом величину тока сварки задают на источнике питания, а напряжение на дуге скоростью пода­чи электродной проволоки. Величина тока автоматически поддержи­вается источником питания, а напряжение на дуге - системой АРНД с обратной связью по напряжению, воздействием на скорость подачи.

На основании изучения физики процесса разработана структурная схема объекта.

 

Сеть

ДПТ

Генератор св. головки

Электродвигательпостоянного тока

Барабан для эле-ктродн. проволоки

Подающие ролики

Направляющие ролики

Сварочная головка

Электрод

АРНД

Трансформатор

Рисунок 2. Структурная схема сварочного аппарата.

 

Необходимое условие сварки - поддержание дуги. Для этого скорость подачи электрода должна соответствовать скорости его плавления теплотой дуги. Рассматриваемый в данной работе сварочный трактор относится к типу автоматов с зависимой скоростью подачи электродной проволоки.

Форма и размеры шва зависят от многих параметров режима сварки: величины сварочного тока, напряжения дуги, диаметра электродной проволоки, скорости сварки и др. Такие параметры, как наклон электрода или изделия, величина вылета электрода, грануляция флюса, род тока и полярность и т. п. оказывают меньшее влияние на форму и размеры шва.

Влияние параметров режима на форму и размеры шва обычно рассматривают при изменении одного из них и сохранении остальных постоянными.

Увеличение скорости сварки уменьшает погонную энергию и изменяет толщину прослойки расплавленного металла под дугой. В результате этого основные размеры шва уменьшаются. Однако в некоторых случаях (сварка тонкими проволоками на повышенной плотности сварочного тока) увеличение скорости сварки до некоторой величины, уменьшая прослойку расплавленного металла под дугой и теплопередачу от нее к основному металлу, может привести к росту глубины проплавления. При чрезмерно больших скоростях сварки и силе сварочного тока в швах могут образовываться подрезы.

При автоматической сварке стыковых соединений нередко приходится сталкиваться с различными возмущениями (по напряжению дуги, по длине дуги, по току дуги) и, как результат, - образования прожогов.

Нередко при деформации аппарата в процессе работы, резком изменении профиля изделия возникают изменения в параметрах модели.

Целью разработки является проектирование такого регулятора для системы, который обеспечивал бы необходимый запас устойчивости  при вышеперечисленных возмущениях.

Предлагается замена системы регулирования АРНД другой системой, основой которой будет контроллер, отрабатывающий программу робастного регулирования. Выбор робастного регулятора обусловлен его свойством сохранять выходные переменные системы и сигналы ошибки в заданных допустимых пределах, синтезировать высококачественную систему, несмотря на наличие неопределённостей в контуре управления. Этот подход учитывает тот факт, что реальные физические системы и окружающие условия, в которых они работают, не могут быть смоделированы абсолютно точно, они могут изменяться непредсказуемым образом и подвергаться всевозможным возмущениям.

Для достижения поставленной цели следует разработать динамическую модель работы сварочного аппарата в виде пространства состояний, проверить адекватность модели на основе экспериментальных данных, проанализировать различные варианты построения робастных регуляторов и выбрать наиболее оптимальный, построить  динамическую модель системы управления сварочным аппаратом с новым регулятором, с помощью полученной модели исследовать работу системы при влиянии различных видов возмущений и возникновении неопределенностей, на основании чего сделать выводы о применимости и эффективности работы системы.   

 

 

Литература

1.     Зайцев Г.Ф. Теория автоматического управления и регулирования. Киев: Вища школа, 1988 – 432с.

2.     Сварка в машиностроении: Справочник в 4-х т./Редкол.: С24 Г.А.Николаев (пред.) и др. – М.:Машиностроение, 1979 – Т.4. Под ред. Ю.Н. Зорина, 512с, ил.

3.     Справочник по сварке. Под ред. Соколова Е.В. – М.:Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы,1960 – 554с.

4.     Р. Дорф, Р. Бишоп. Современные системы управления. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2002 – 833с.