Автоколебательные системы управления положением сварочной головки в автоматизированном процессе электродуговой сварки

В настоящее время в промышленности сварка является самым распространенным типом соединения материалов. Сварочное производство развивается бурными темпами, в ряде случаев превосходящими темпы роста других процессов металлообработки. Ведущее место в сварочном производстве по-прежнему занимает дуговая сварка, которая и в ближайшем будущем останется основным видом сварки плавлением, а электродуговая сварка в среде защитных газов или под флюсом является одной из наиболее широко используемых. Такое положение дуговой сварки объясняется высокой концентрацией тепловой энергии, универсальностью процесса, возможностью сварки в различных условиях и положениях, надежностью и относительно низкой стоимостью оборудования, стабильностью прочностных характеристик сварных соединений, сравнительной простотой механизации процесса дуговой сварки.

Однако до сих пор значительная часть сварочных работ выполняется вручную. Автоматизация сдерживается отсутствием точных и надежных датчиков параметров стыка и сварочного процесса, но и в этом случае возможна лишь при условии качественной разделки швов и высокой точности позиционирования деталей по отношению к сварочному механизму, достигаемой за счет непрерывного совмещения оси горелки с центром углового стыка для получения качественного соединения.

Современным направлением автоматизации сварочных процессов является использование сварочных роботов. Конечной целью создания и применения сварочных роботов является повышение производительности труда и качества продукции. Суммарная технико-экономическая эффективность применения сварочных роботов включает повышение качества сварного соединения, социально-экономический эффект, экономию фонда заработной платы. Социально-экономический эффект достигается за счет освобождения человека от монотонной утомительной работы, исключения травм, заболеваний. Робот может эксплуатироваться в условиях вредной для здоровья человека среды (радиоактивной, химически активной, токсичной и т. д.). Перечисленные факторы с трудом поддаются количественной оценке, однако преуменьшать их значимость недопустимо.

В то же время применение промышленных роботов для автоматизации процессов дуговой сварки выдвигает ряд задач по организации производственного процесса, конструированию роботов с учетом специфики сварочного производства и, в первую очередь, созданию систем управления, обеспечивающих заданную точность и качество сварных соединений. Отклонение геометрических параметров свариваемых деталей и нарушение их пространственной ориентации затрудняют использование сварочных роботов, работающих по жесткой программе. Так, допустимый разброс точек сварки возможен лишь при условии, что отклонение размеров детали и погрешности ее ориентации не превосходят ошибок позиционирования робота. Если погрешность геометрических параметров свариваемой детали превышает некоторый предел, обусловленный допуском на размещение сварных точек и допустимым процентом брака, то применение роботов с жестким управлением становится нецелесообразным из-за низкого качества получаемого соединения. Возникает необходимость использования в роботах более совершенных систем управления, которые могли бы обеспечить сварку, используя текущую информацию о каждой детали по параметрам, определяющим условия и качество процесса сварки. Информация об изменении характеристик детали вводится в систему с помощью датчиков. Однако существующие в настоящее время механические, оптические, тепловые и другие датчики в реальных условиях фактически не используются из-за наличия в зоне сварки большого количества побочных факторов, выводящих их из строя. Для решения задачи автоматизации технологического процесса сварки необходимо применение совершенно новых подходов к получению информации о геометрических параметрах и положении стыка.

Одним из перспективных направлений развития систем управления процессом сварки является использование в качестве источника информации о геометрических параметрах стыка гармонических составляющих сварочного тока. В то же время применяемые в настоящее время системы позиционирования сварочной головки относительно шва на основе анализа гармонических составляющих сварочного тока используют в качестве источника колебаний для формирования качественного шва внешний генератор. Основными их недостатками являются фиксированная частота внешнего генератора, что не позволяет таким системам более быстро и качественно подстраиваться под параметры детали, и наличие дополнительных блоков, усложняющих конструкцию системы.

Таким образом, совершенствование качества систем управления процессом сварки и повышение надежности их работы по-прежнему является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является повышение качества сварных соединений путем создания автоколебательных систем управления положением сварочной головки, позволяющих исключить использование внешних генераторов колебаний электрода, применяемых для формирования качественного шва, и тем самым улучшить динамику и надежность работы автоматизированного сварочного оборудования.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

— исследование возможности возникновения автоколебаний в системе управления положением сварочной головки и их использования для генерации колебаний сварочного электрода;

— выбор методов синтеза автоколебательной системы автоматического управления положением сварочной головки и ее исследования;

— разработка структуры автоколебательной системы автоматического управления пространственным положением сварочной головки и методики синтеза ее параметров;

— оценка возможности применения автоколебательной системы для сварки различных типов стыков;

— оценка возмущений, действующих на систему управления в процессе сварки, и исследование динамики ее работы в реальных условиях;

— определение основных требований к современным АСУ ТП процессом сварки и реализация разработанных алгоритмов управления средствами цифровой техники.

Автор защищает:

— методику синтеза и анализа систем управления процессом сварки, основанную на применении метода фазового годографа и позволяющую осуществлять построение таких систем без использования внешних генераторов колебаний электрода;

— структуру автоматической системы управления положением сварочного электрода, автоколебания которой используются для поперечного перемещения электрода, обеспечивающую более высокую точность и надежность работы по сравнению с известными разработками;

— структуру автоколебательной системы управления положением сварочного электрода с адаптацией к параметрам кромок стыка, которая обеспечивает высокое качество шва при значительном изменении технологических параметров стыка;

— обобщенную классификацию и математическое описание основных возмущающих факторов, действующих на систему управления электродуговой сваркой в реальных условиях;

— методику оценки предельных значений кривизны стыка для автоматических систем управления положением сварочной головки, позволяющую на основе однократного моделирования реакции системы на заданное возмущающее воздействие определять допустимые параметры кривизны свариваемых изделий;

— техническую реализацию автоматической системы управления положением сварочного электрода.

Методы исследования. Решение поставленных в работе задач по разработке систем автоматического управления процессом электродуговой сварки базируется на использовании методов теории автоматического управления, гармонического анализа, теории фильтрации сигналов, теории цифровой обработки сигналов, численного анализа, методах теории математического моделирования.

Достоверность и эффективность разработанной системы подтверждается методами компьютерного моделирования, экспериментальными исследованиями и опытно-промышленными испытаниями в производственных условиях.

Научная новизна работы состоит в создании нового подхода к проектированию систем управления положением сварочной головки, в которых для реализации поперечных колебаний электрода, применяемых для формирования качественного шва, используются автоколебания системы.

Основные результаты, определяющие научную новизну:

— разработана методика синтеза автоколебательных систем управления положением сварочной головки, основанная на применении для их расчетов метода фазового годографа и позволяющая улучшить динамические характеристики существующих систем;

— предложены структуры систем управления положением сварочной головки, в которых колебания электрода создаются автоколебательным контуром, замкнутым по первой гармонике тока сварки и отличающиеся от существующих более высокой надежностью и качеством работы;

— осуществлен комплексный анализ возмущений, действующих на систему управления в процессе сварки, позволивший произвести аппроксимацию помех, влияющих на качество работы системы управления;

— разработана методика оценки предельных значений кривизны стыка для автоматических систем управления положением сварочной головки, позволяющая определять допустимые параметры кривизны свариваемых изделий, основываясь на результатах моделирования реакции системы на заданное возмущающее воздействие.

Практическая ценность выполненных исследований определяется следующими результатами:

— даны рекомендации для синтеза систем управления положением сварочной головки, обеспечивающих высокую надежность и требуемое качество формирования сварного соединения. Применение предложенных систем дает возможность повысить производительность сварочного оборудования и обеспечить экономию энергии и сварочных материалов за счет исключения дополнительной сварки непроваренных швов;

— предложен подход к линеаризации системы управления сварочным электродом по полезному сигналу, позволяющий обеспечить полный учет нелинейностей системы управления и получить достоверные результаты исследований;

— предложенные схемы систем управления просты в реализации и могут использоваться при электродуговой сварке в среде защитных газов и под флюсом;

— определены требования и даны рекомендации для построения систем управления процессом сварки на цифровой технике;

— разработано алгоритмическое и программное обеспечение микропроцессорных систем, позволяющее эффективно управлять процессом формирования сварного соединения.

Реализация результатов работы. Предложенная в диссертации методика автоматизации процесса сварки легла в основу реализованных в ОАО «АК «Туламашзавод» цифровых систем автоматического управления сварочным процессом. Для SCADA-системы TRACE MODE разработаны FBD-диаграммы управления положением сварочной головки. Разработано аппаратно-программное обеспечение для автоматизированного управления технологическим процессом электродуговой сварки в среде защитных газов и под флюсом.

Разработанная методика синтеза автоколебательных систем управления внедрена также в учебный процесс кафедры ЭВМ при реализации курса «Основы теории управления» и дипломном проектировании бакалавров и инженеров по специальностям: 230 101 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети" — 140 610 «Электрооборудование и электрохозяйство организаций, предприятий и учреждений" — 90 105 «Комплексное обеспечение информационной безопасности автоматических систем»».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на:

— XVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-16», г. Ростов-на-Дону, РГАСХМ, 2003;

— IX Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве», г. Нижний Новгород, МВВО АТН РФ, 2003;

— IV Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в соединении материалов», г. Тула, ТулГУ, 2003;

— X Международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии СТТ'2004», г. Томск, ТПУ, 2004.

— I Всероссийской научно-технической конференции «Идеи молодых — новой России», г. Тула, ТулГУ, 2004 г. (диплом лауреата 2 степени);

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, среди которых 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5 разделов, выводов по результатам работы, списка литературы из 75 наименований. Работа изложена на 161 странице машинописного текста, включает 51 рисунок, 5 таблиц и 5 приложений.

Основные результаты и выводы по работе.

1. Проведен анализ существующих структур систем управления положением сварочной головки, использующих сварочный ток и напряжение в качестве источника информации о положении сварочной головки. Отмечена целесообразность использования для этих целей гармонических составляющих сварочного тока.

2. Показана возможность возникновения автоколебаний в системах, использующих гармонические составляющие сварочного тока для получения информации о параметрах стыка. Отмечено, что они могут быть использованы в качестве источника колебаний задающей частоты при управлении движением электрода.

3. Предложены структуры систем управления положением сварочной головки, в которых колебания электрода создаются автоколебательным контуром, замкнутым по первой гармонике тока сварки. Показано, что такие системы имеют лучшие динамические характеристики по сравнению с системами, использующими внешний генератор задающей частоты.

4. Предложен подход к линеаризации системы управления сварочным электродом по полезному сигналу, позволяющий обеспечить полный учет нелинейностей системы управления и получить достоверные результаты исследований.

5. Разработана методика синтеза автоколебательных систем управления положением сварочной головки, основанная на применении метода фазового годографа для определения условий существования автоколебаний и возможной коррекции их параметров и предусматривающая использование имитационного моделирования для дальнейшего исследования параметров проектируемой системы.

6. Разработана методика оценки предельных значений кривизны стыка для автоматических систем управления положением сварочной головки, позволяющая формулировать требования к форме стыков на основе однократного моделирования реакции системы управления на заданное возмущающее воздействие.

7. Осуществлен комплексный анализ возмущений, действующих на систему управления в процессе сварки. Выделены основные помехи, влияющие на качество работы системы, представленные в виде математической модели возмущений.

8. На основе имитационного моделирования условий эксплуатации системы, базирующегося на разработанной математической модели возмущений, действующих на систему управления в процессе сварки, проведено исследование ее работоспособности. Показано, что система управления отвечает требованиям по качеству работы, предъявляемым при управлении реальными сварочными процессами;

9. Даны рекомендации по реализации системы в составе АСУ технологическим процессом электродуговой сварки. Предложена реализация разработанных алгоритмов управления средствами SCADA-системы TRACE MODE.

10. На базе промышленного контроллера ICP DAS 1−8410 разработана и внедрена цифровая автоколебательная система управления положением сварочной головки, испытания которой показали, что система способна обеспечить качество сварного соединения, соответствующее требованиям нормативных документов.