SU1706796A1 - Устройство слежени за стыком - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к автоматизации дуговой сварки и может быть использовано в сварочных аппаратах, сварочных роботах и другом сварочном оборудовании. Цель изобретени  - повышение качества сварочного соединени  за счет повышени  точности слежени  за стыком. Устройство содержит датчик 1 величины сварочного тока , шунт 2. полосовой фильтр 3, синхронный детектор 4, датчик 5 направлени  отклонени  горелки, фильтр б нижних частот, усилитель 7, привод 8 перемещени  горелки поперек стыка, горелку 9, механизм колебани  10 горелки, формирователь 11 импульсов , блок 12 определени  скорости изменени  отклонени  горелки и сумматор 13. При отклонении горелки от среднего положени  выдел етс  составл юща  сварочного тока и формируетс  корректирующий сигнал на привод горелки. 4 ил.

Description

ел С

VJ

о

С J

О О

Фиг.1

Изобретение относитс  к автоматизации сварочных процессов и может быть использовано в оборудовании дл  автоматической дуговой сварки в защитном газе угловых швов и стыковых швов .с разделкой .

Известно устройство, содержащее датчик величины сварочного тока, фильтр, усилитель , датчик знака отклонени  дуги и привод перемещени  сварочной горелки относительно стыка.

Известное устройство обеспечивает слежение сварочной горелки за стыком, но имеет недостаток, заключающийс  в том, что не может обеспечить получени  достаточно качественного шва. Это св зано с тем, Что величины сварочного тока, измер емые в момент предельных поперечных отклонений сварочной горелки, обладают большой дисперсией.

Наиболее близким по технический сущности к предполагаемому изобретению  вл етс  устройство слежени  за стыком, содержащее датчик величины сварочного тока, подключенный к шунту, полосовой фильтр, синхронный детектор, фильтр нижних частот, датчик знака отклонени  свароч- ной горелки, усилитель, привод поперечного перемещени  сварочной горелки и колебатель сварочной горелки.

Это устройство, реализующее способ синхронного детектировани  гармонического сигнала, выдел емого полосовым фильтром, обеспечивает непрерывное измерение величины отклонени  среднего положени  колеблющейс  поперек стыка горелки от линии стыка. Однако из-за большого запаздывани  информационного сигнала , проход щего через полосовой фильтр и фильтр нижних частот, измеренна  величина отклонени  горелки существенно отличаетс  от истинного ее отклонени  в данный момент времени, причем это отличие, т.е. погрешность измерени  не посто нна во времени, а измен етс  как по величине, так и по знаку в зависимости от скорости изменени  самого отклонени  горелки от линии стыка, что приводит к низкой точности слежени  за стыком и не позвол ет получить достаточно качественное сварное соединение .

Цель изобретени  - повышение качества сварного соединени  за счет повышени  точности слежени  за стыком.

При этом повышение точности обеспечиваетс  введением простейших блоков.

Дл  достижени  поставленной цели в известное устройство слежени  за стыком, содержащее датчик величины сварочного тока, подключенный к шунту, включенному

в цепь сварочного тока, полосовой фильтр, синхронный детектор, фильтр нижних частот , датчик направлени  отклонени  горелки , усилитель, соединенный с приводом

перемещени  горелки поперек стыка и колебатель горелки, причем к первому входу синхронного детектора подключен через полосовой фильтр датчик величины сварочного тока, к второму входу синхронного детектора подключен датчик направлени  отклонени  горелки, а выход синхронного детектора соединен с фильтром нижних частот , дополнительно введены формирователь импульсов, блок определени  скорости

изменени  отклонени  горелки и сумматор, причем вход формировател  импульсов соединен с выходом датчика направлени  отклонени  горелки, а три выхода формировател  импульсов подключены к

трем входам блока определени  скорости изменени  отклонени  горелки, четвертый вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, выход блока определени  скорости изменени  отклонени  горелки соединен с первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу фильтра нижних частот, выход сумматора соединен со входом усилител .

Предлагаемое устройство обладает

возможностью получени  информации о скорости изменени  отклонени  горелки от свариваемого стыка, а также возможностью формировани  в соответствующего корректирующего сигнала, подаваемого на привод

перемещени  горелки.

Введение дополнительных функциональных блоков и св зей между ними обеспечивает формирование на входе привода сигнала, который зависит от скорости изменени  текущего отклонени , согласно зависимости

) K,rtt)+K2,(1)

где (t) - управл ющий сигнал; () - текущее измеренное отклонение среднего положени  колеблющейс  поперек стыка горелки от линии стыка;

Kl - коэффициент усилени  усилител ;

К2 коэффициент пропорциональности;

-т-Ј - средн   скорость изменени  текущего отклонени  за промежуток времени At. Из соотношени  (1) видно, что вс кий раз, когда начинает увеличиватьс  или уменьшатьс  отклонение f (t), по вл етс  корректирующий сигнал

) Ј,

(2)

привод щий к соответствующему дополнительному увеличению или уменьшению управл ющего сигнала $t). Дополнительное увеличение управл ющего сигнала /(t) приводит к форсированному движению горелки к линии стыка, компенсиру  таким образом запаздывание сигнала р(t) и тем самым повышает динамическую точность слежени  горелки за свариваемым стыком. Дополнительное уменьшение управл ющего сигнала V W. по вл ющеес  при уменьшении отклонени  р (т), т.е. при подходе горелки к линии стыка, обеспечивает более плавный подход к этой линии. Повышение точности за счет введени  дополнительного корректирующего сигнала a(t), согласно формулам (1). (2), подтверждено путем экспериментальной проверки на действующем макете устройства.

На фиг. 1 изображена структурна  схема устройства слежени  за стыком; на фиг.2 - схема блока определени  скорости изменени  отклонени  горелки; на фиг.З - временные диаграммы работы формировател  импульсов; на фиг.4 - графики изменени  во времени измеренных отклонений горелки от линии стыка в предлагаемом и известном устройствах.

Устройство слежени  за стыком (фиг.1) содержит датчик 1 величины сварочного тока , подключенный к шунту 2, включенному в цепь сварочного тока, полосовой фильтр 3, синхронный детектор 4, датчик 5 направлени  отклонени  горелки, фильтр 6 нижних частот, усилитель 7, привод 8 перемещени  горелки поперек стыка, горелку 9. механизм 10 колебани  горелки, формирователь 11 импульсов, блок 12 определени  скорости изменени  отклонени  оси колебани  горелки , и сумматор 13.

Датчик 1 величины сварочного тока предназначен дл  преобразовани  величины сварочного тока i(t), протекающего через шунт 2, в напр жение U(t), пропорциональное этому току i(t).

Полосовой фильтр 3 предназначен дл  выделени  из напр жени  U(t) гармонической составл ющей Us(t) с частотой F вынужденных колебаний горелки.

Синхронный детектор 4 предназначен дл  выпр млени  (детектировани ) сигнала Us(t), поступающего на его первый вход. Синхронный детектор снабжен вторым входом , соединенным с выходом датчика 5 на- правлени  отклонени  горелки, и выходом, на котором выдел етс  сигнал Ug(t), среднее значение, которого за период Т одного поперечного колебани  горелки характеризует величину и знак отклонени  Е среднего положени  горелки от линии стыка.

Датчик 5 направлени  отклонени  горелки предназначен дл  формировани  пе- 5 риодического сигнала Кк(0 (см.фиг.З), обеспечивающего синхронное детектирование , которое заключаетс  в выполнении операции умножени 

Ug(t)Us(t).UK(t),(3)

0,

+ I при поперечном движении где U(tM горелки в пр мом направлении. М при поперечном движении

горелки

5Фильтр 6 нижних частот (фиг.1) предназначен дл  усреднени  за период Т сигнала Ug(t), т.е. дл  формировани  сигнала

#)/; ug(t)dt, (4)

0 характеризующего величину и знак измеренного отклонени  горел киот линии стыка. Усилитель 7 предназначен дл  преобразовани  сигнала, поступающего с выхода сумматора 13, в управл ющий сигнал (х) 5 привода перемещени  горелки.

Привод 8 перемещени  горелки, включающий в себ  двигатель и исполнительный механизм, предназначен дл  осуществлени  перемещени  горелки 9 поперек стыка 0 в пр мом и обратном направлени х.

Механизм 10 колебани  горелки предназначен дл  поперечного колебани  горелки 9 с заданной частотой F .

5Формирователь 11 импульсов предназначен дл  формировани  трех непрерывных и сдвинутых во времени друг относительно друга серий Si, 82. 83 пр моугольных импульсов длительностью г и частотой следо0 вани  F. Импульсы серии Si могут формироватьс , например, по переднему фронту импульсов UK (см.фиг.З), импульсы серии $2 - по заднему фронту импульсов UK, а импульсы серии 5з - по заднему фронту

5 импульсов серии S2. Длительность г импульсов серий Si, S2H 83 не должна при этом превышать четверть периода Т колебаний горелки, т.е. должно выполн тьс  условие . Формирователь 11 импульсов снаб0 жен трем  выходами 14-16.

Блок 12 определени  скорости изменени  отклонени  оси колебани  горелки (фиг.1) предназначен дл  определени  текущей средней скорости изменени  отклоне5 ни  среднего положени  колеблющейс  поперек стыка горелки от линии стыка и формировани  сигнала r;(t). характеризующего величину и знак этой скорости, согласно соотношению (2).

Блок 12 определени  скорости изменени  отклонени  оси колебани  горелки может быть выполнен так, как показано на фиг.2. Блок 12 содержит три схемы 17-19 запоминани , дифференциальный, усилитель 20 и транзисторный ключи 21-23. Кажда  схема запоминани  состоит из резистора 24, конденсатора 25 и повторител  26 напр жени . Величина R резистора 24 и величина С конденсатора 25 выбираютс  такими, чтобы выполн лось условие RC т,

Схемы 17 и 18 предназначены дл  запоминани  (хранени ) величин отклонени  и (, измеренные в дискретные моменты времени, соответствующие по влению импульсов серии Si и 32(фиг.З). Схема 19 предназначена дл  запоминани  величины о. пропорциональной разностиЛ р р2 - р . получаемой с выхода дифференциального усилител  23, в дискретные моменты времени, соответствующие по влению импульсов серии Зз (фиг.З), т.е. дл  формировани  на выходе блока 12 корректирующего сигнала o(t) согласно формуле (2).

Сумматор 13 предназначен дл  получени  суммы величин p(i)vt(t), характеризующих текущее измеренное отклонение среднего положени  колеблющейс  поперек стыка горелки от линии стыка и среднюю скорость изменени  этого отклонени  Л

-r -согласно формуле (1).

Устройство слежени  за стыком работает следующим образом.

Одновременно с началом дуговой сварки и началом движени  горелки 9 вдоль свариваемого стыка запускаетс  механизм 10 колебани  горелки. В результате сварки через шунт 2 начинает протекать сварочный ток i(t), величина которого преобразуетс  датчиком 1 в сигнал U(t), который через полосовой фильтр 3, настроенный на частоту F колебаний горелки, поступает на первый вход синхронного детектора 4. Одновременно на второй вход синхронного детектора 4 подаетс  напр жение Ui(t) пр моугольной формы (фиг.З) от датчика 5 отклонени  горелки (фиг.1). Так как сварное соединение  вл етс  угловым соединением или стыковым соединением с разделкой, то сварочный ток i(t) за период Т колебаний горелки поперек стыка дважды возрастает и дважды убывает. При этом, если среднее положение горелки совпадает с линией стыка , сигнал на выходе датчика 1 величины сварочного тока имеет симметричную форму и частоту вдвое большую частоты F колебаний горелки. На выходе синхронного детектора 4 и на выходе фильтра 6 нижних

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

частот в этом случае напр жени  равны нулю , т.е.. Ug(t)0, (f (t)0. Равна нулю в этом случае и разность Ду f% - ф , образуема  в дискретные моменты времени на выходе дифференциального усилител  20 (фиг.2) блока 12 определени  скорости изменени  отклонени  оси колебани  горелки (фиг.1), а значит, равна нулю и величина cr(t) на выходе блока 12. Следовательно, на выходе сумматора 13 управл ющий сигнал также отсутствует и горелка 9 продолжает сохран ть неизменным свое среднее положение относительно стыка.

Когда среднее положение горелки по той или иной причине отклон етс  от линии стыка на некоторую величину Е , сигнал U(t) на выходе датчика 1 величины сварочного тока приобретает несимметричную форму и в нем по вл етс  переменна  составл юща  с частотой F колебани  горелки 9. Полосовой фильтр 3 выдел ет эту составл ющую и на выходе фильтра 6 нижних частот по вл етс  напр жение р (t), характеризующее текущее измеренное отклонение среднего положени  горелки от линии стыка. Это напр жение р (t) подаетс  через сумматор 13 и усилитель 7 на вход привода 8, который начинает перемещать горелку 9 и устран ть тем самым по вившеес  отклонение е . Одновременно сигнал р (t) поступает на вход блока 12, в котором вычисл етс  величина -Д-, а на его выходе формируетс 

корректирующий сигнал о (t), который через сумматор 13 и усилитель 7 также поступает на вход привода 8 перемещени  горелки 9. В результате на вход привода 8 подаетс  управл ющий сигнал (t), содержащий , кроме сигнала о текущем измеренном отклонении р (t) среднего положени  горелки от линии стыка, дополнительный корректирующий сигнал о (t), который согласно формулам (1),(2) непосредственно зависит от средней скорости изменени  текущего отклонени  y(t).

Формирование корректирующего сигнала о (t) в блоке 12 происходит следующим образом. В каждый дискретный момент времени импульсом серии Si (фиг.З) ваетс  на врем  г транзисторный ключ 21 (фиг.2). За это врем  т конденсатор 25 схемы 17 запоминани  через резистор 24 этой же схемы зар жаетс  до уровн  напр жени  (р - ip nT+ т . После окончани  им- пульса серии Si напр жение на конденсаторе 25, а значит и на выходе повторител  26 напр жени  и на выходе схемы 17 запоминани  сохран етс  (запоминаетс ) до прихода следующего импульса серии Si. В следующий дискретный момент временит пТ + у импульсом серии

За (фиг.З) открываетс  также на врем  г транзисторный ключ 22 (фиг.2). За врем  г до уров-

н  напр жени  /% р пТ 4-т 4- -

зар жаетс  теперь конденсатор 25 схемы 18 запоминани  и сохран ет этот уровень на выходе схемы 18 до прихода следующего импульса серии S2. В каждый следующий

дискретный момент времени г + импульсом серии 5з (фиг.З) открываетс  на врем  т транзисторный ключ 23 (фиг.2) и происходит зар д конденсатора 25 схемы 19 запоминани  дл  уровн  напр жени , равного

а(т)КзДрМ,(6) где Кз - коэффициент усилени  дифферен-

циального усилител  20, равный

,-Ј.го

а Д ( - разность величин отклонений р (t), измеренных в моменты времени

г и Г + у

Таким образом, один раз за период времени Т на выходе блока 12 (фиг.1) вырабатываетс  корректирующий сигнал a(t). который, как видно из (6) и (7), определ етс  формулой (2).

Управл ющий сигнал ty (t) образуетс  путем периодического добавлени  к сигналу измер емого отклонени  tp (t) сигнала a(t), пропорционального средней скорости изменени  отклонени  р(). Такое добавление приводит к форсированному устранению отклонени  горелки от линии стыка, а при приближении горелки к стыку - плав- ность ее подхода.

Дл  проверки работоспособности технического решени  проводилось испытание макета устройства при сварке швов с V-об- разной разделкой в С02 плав щимс  элект- родом диаметром 1,0 мм. При этом свариваемые детали устанавливались так, чтобы лини  стыка располагалась под некоторым углом (5-6°) к линии продольного движени  горелки, т.е. так, чтобы в процессе сварки обеспечивалс  эффект смещени  стыка с посто нной скоростью. Сварочный ток равен 125 А, напр жение на дуге 27 В, скорость подачи проволоки 120 мм/с, амплитуда и частота колебаний горелки соот- ветственно 2 мм и 4 Гц, скорость сварки 5 мм/с. Результат испытани  представлен на

фиг.А сплошной линией. Дл  сравнени  штриховой линией показан результат испытани  известного устройства. Сравнение показывает, что врем  $1 ликвидации по вившегос  отклонени  Е горелки относительно стыка в прототипе составл ет около 1,8 с, а в предложенном устройстве врем  фже превышает 0,9 с. Установившеес  значение отклонени  Ј1 в прототипе равно 0,6 мм, а в предложенном устройстве ,2 мм. Кроме того в предложенном устройстве обеспечиваетс  плавность подхода горелки к линии стыка.

Таким образом, введение новой совокупности функциональных блоков и св зей между ними выгодно отличает предлагаемое техническое решение от известного, по- скольку оно позвол ет повысить динамическую точность слежени  не менее, чем в три раза. При этом повышение динамической точности,а значит, и качества сварного соединени , обеспечиваетс  путем введени  достаточно простых функциональных блоков. Это позвол ет в конечном счете значительно расширить область применени  устройства слежени  за стыком, включа , в частности, прецезионную сварку деталей.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Устройство слежени  за стыком, содержащее механизм колебани  горелки, последовательно включенные шунт, датчик величины сварочного тока, полосовой фильтр, синхронный детектор и фильтр нижних частот, датчик направлени  отклонени  горелки, подключенный к управл ющему входу синхронного детектора, а также последовательно включенные усилитель и привод перемещени  горелки поперек стыка , отличающеес  тем, что, с целью повышени  качества сварного соединени , в устройство дополнительно введены формирователь импульсов, блок определени  скорости изменени  отклонени  оси колебани  горелки и сумматор, при этом вход формировател  импульсов соединен с выходом датчика направлени  отклонени  горелки , три выхода формировател  импульсов подключены к трем входам блока определени  скорости изменени  отклонени  оси колебани  горелки, четвертый вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, а выход - с первым.входом сумматора, второй вход сумматора подключен к выходу фильтра нижних частот и выход сумматора св зан с входом усилител .

   Фие.З

   ФигЛ