СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ СВАРОЧНОГО КОНТАКТА Российский патент 2011 года по МПК B23K11/24 

Изобретение относится к области контактной сварки и может быть использовано при осуществлении контроля работы машин контактной точечной сварки и автоматического управления ими.

Сопротивление сварочного контакта (участка «электрод-электрод») является параметром, характеризующим протекание процесса формирования точечного сварного соединения, отслеживание которого в реальном времени позволяет не только прогнозировать качество сварки, но и создавать системы автоматического управления с использованием величины этого сопротивления как параметра обратной связи.

Известны способы измерения сопротивления сварочного контакта с использованием датчиков тока и напряжения, усилителей сигналов датчиков, блока деления, предусматривающие измерение мгновенных или средних значений напряжения на участке «электрод-электрод» и вторичного тока, при этом сопротивление участка «электрод-электрод» рассчитывают как отношение этих измеренных величин [Орлов Б.Д. Контроль точечной и роликовой электросварки / Б.Д.Орлов, П.Л.Чулошников, В.Б.Верденский, А.Л.Марченко // М.: Машиностроение, 1973. - С.169-172].

Недостатком способов измерения сопротивления участка «электрод-электрод», основанных на использовании закона Ома, в целом является необходимость измерения падения напряжения между электродами, что весьма затруднительно вследствие наведенных помех и необходимости размещения датчиков в непосредственной близости к контакту «электрод-деталь».

Известен способ контроля сопротивления участка «электрод-электрод» машины точечной сварки с использованием измерительного и эталонного трансформаторов, первые обмотки которых подключены последовательно к источнику стабильного тока. Вторая обмотка измерительного трансформатора подключена к электродам машины точечной сварки, а к второй обмотке эталонного трансформатора подключен эталонный резистор. Третьи обмотки трансформаторов, переменный и эталонный резисторы образуют измерительный мост, который подключают к входу усилителя [Авторское свидетельство СССР №1648678, кл. B23K 11/24, 1991].

Недостатком такого способа является низкая заявленная точность, равная 50 мкОм, а также сложность и громоздкость оборудования вследствие использования измерительного и эталонного трансформаторов. При этом не устраняются недостатки, связанные с измерением падения напряжения на участке «электрод-электрод».

Наиболее близким к изобретению по техническому решению является способ измерения коэффициента мощности и контроля контактной сварки с использованием детектора полярности сетевого напряжения, детектора нулевого первичного тока и микропроцессорного блока управления, предусматривающий измерение времени между переходом сетевого напряжения через ноль и окончанием проводимости тиристоров, на основании этого определение значения коэффициента мощности в каждом периоде и характера изменения сопротивления участка «электрод-электрод» [Патент США №4399511, кл. B23K 11/24, 1983].

Этот способ позволяет избежать необходимости измерения падения напряжения на сварочных электродах, однако дает не количественную, а качественную картину изменения сопротивления сварочного контакта. Также не учитывается влияние на коэффициент мощности вносимых в контур контактной сварочной машины ферромагнитных масс (например, крупногабаритных металлических деталей) и увеличение вследствие этого индуктивного сопротивления, а это приводит к уменьшению коэффициента мощности и воспринимается как уменьшение активного сопротивления сварочного контакта.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении точности определения сопротивления сварочного контакта за счет отказа от измерения падения напряжения на электродах и устранения влияния различных возмущений (износ и нагрев вторичного контура, изменение его индуктивности и колебания напряжения сети).

Поставленная задача решается тем, что в способе измерения сопротивления сварочного контакта, предусматривающем определение напряжения питающей сети U_c и коэффициента трансформации K_m перед включением тока, измерение действующего значения тока I₂ и длительности λ импульса тока при известном угле α открытия тиристоров в режимах короткого замыкания и сварки, вычисление сопротивлений вторичного контура r_2к и r₂ в режимах короткого замыкания и сварки производят по формуле

где функцию p(α, λ) задают через значения α и λ в соответствии с эмпирической формулой

в которой коэффициенты A_λ, A_α, A₀ задают исходя из условия минимизации погрешности вычислений, а сопротивление сварочного контакта определяют как разность сопротивлений r₂ и r_2к.

Определение сопротивления r_2к вторичного контура в режиме короткого замыкания в соответствии с формулой (1) не требует значительных вычислительных мощностей, позволяет учесть колебание сетевого напряжения U_c и своевременно отслеживать изменение величины r_2к при нагреве контура в процессе продолжительной работы, его износе и изменении габаритов контура при настройке на сварку конкретной детали.

Определение сопротивления r₂ вторичного контура в режиме сварки в соответствии с формулой (1) позволяет исключить из расчетов величину индуктивного сопротивления контура и избежать влияния его возможных изменений на точность вычислений.

Задание функции p(α, λ) через значения α и λ в соответствии с эмпирической формулой (2) не требует значительных вычислительных мощностей и позволяет получать приемлемую точность независимо от параметров контактной машины. При этом задание коэффициентов A_λ, A_α и A₀ исходя из условия минимизации погрешности вычислений позволяет рассчитывать функцию p(α, λ) с погрешностью, обычно не превышающей 4%.

Определение сопротивления сварочного контакта как разности между сопротивлением вторичного контура в режиме сварки r₂ и в режиме короткого замыкания r_2к позволяет отдельно учесть возможные изменения величин r₂ и r_2к вследствие различных возмущений.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых представлены:

на фиг.1 - функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ;

на фиг.2 - диаграммы мгновенных значений тока и напряжения при сварке и соответствующие им управляющие сигналы;

на фиг.3 - значение функции P(α, λ) в зависимости от α и λ;

на фиг.4 - относительная погрешность вычисления сопротивления сварочного контакта для α∈[60; 120] электрических градусов и φ∈[0,4; 0,9].

Способ реализуется на машинах контактной сварки, работающих от сети переменного тока промышленной частоты и содержащих (фиг.1) тиристорный контактор КТ, обеспечивающий включение в сеть сварочного трансформатора ТС. Функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, включает в себя измеритель тока 1, измеритель напряжения сети 2, детектор полярности 3 и детектор включения тиристоров 4, микропроцессорный блок вычислений 5 и программатор 6.

Способ измерения сопротивления сварочного контакта осуществляется следующим образом.

Перед включением тока в микропроцессорный блок вычислений 5 через интерфейс пользователя поступает значение коэффициента трансформации K_m и информация о режиме включения сварочной машины (режимы «короткое замыкание» или «сварка»), через программатор 6 значения коэффициентов A_λ, A_α и A₀, которые задают исходя из условия минимизации погрешности вычислений, а через измеритель напряжения сети 2 информация о величине сетевого напряжения U_c. Во время включения тока в каждом периоде в микропроцессорный блок вычислений 5 передается информация о величине тока I₂ от измерителя тока 1, о моменте перехода сетевого напряжения через ноль от детектора полярности 3 и длительности включенного состояния тиристоров от детектора включения тиристоров 4. Угол α открытия сварочных тиристоров определяется как разность между началом импульса тока и переходом сетевого напряжения через ноль (фиг.2).

Расчетный алгоритм, реализуемый в микропроцессорном вычислительном блоке, включает в себя следующие операции (фиг.1):

- I: произведение действующего значения тока I₂ и коэффициента трансформации K_m;

- II: деление измеренного напряжения сети U_c на полученное в ходе операции I значение;

- III: определение угла α открытия тиристоров как разности между началом импульса тока и переходом сетевого напряжения через ноль;

- IV: вычисление значения функции p(α, λ) в соответствии с формулой (2) для заданных коэффициентов A_λ, A_α и A₀;

- V: вычисление активного сопротивления контура r₂ или r_2к в соответствии с формулой (1) как произведение значений, полученных в ходе операций II и IV;

- VI: при работе в режиме «короткое замыкание» сохранение результата операции V в памяти микроконтроллера;

- VII: при работе в режиме «сварка» вычисление сопротивления сварочного контакта как разность результатов операции V и VI.

Как известно, активные сопротивления r₂ и r_2к вторичного контура в режимах короткого замыкания и сварки могут быть определены из треугольников сопротивлений по формуле

где cosφ - коэффициент мощности, который однозначно определяется через известные значения α и λ путем решения уравнения

Z₂ - полное сопротивление вторичного контура, которое можно выразить через сетевое напряжение U_c, коэффициент трансформации K_m, измеренный вторичный ток I₂ и коэффициент регулирования тока k_i как

Величина k_i определяется формулой

Преобразовав формулу (3) с учетом (4), (5) и (6) можно получить формулу (1), в которой функция p(α, λ) определяется из системы уравнений

Анализ результатов решения системы (7) численными методами для различных значений α и λ (фиг.3) позволяет заключить, что эта система может быть представлена в виде

где коэффициент B₀ зависит от величины α, а коэффициент A_λ может быть принят постоянным для всех значений α.

Для фиксированных значений α коэффициенты A_λ и B₀ могут быть вычислены исходя из условия минимизации погрешности на заданном диапазоне изменения α и cosφ. Для α∈[60; 120] электрических градусов и cosφ∈[0,4; 0,9] значения A_λ и B₀ приведены в табл.1.

Таблица 1 α, эл. град 60 80 100 120 B₀ 1,897 1,619 1,30 0,963 A_λ -0,450

По результатам, представленным в табл.1, можно сделать вывод, что зависимость В₀ от α может быть аппроксимирована линейным двучленом:

Объединив (8) и (9) получим формулу (2), коэффициенты A_λ, A_α и A₀ в которой для α∈[60; 120] электрических градусов и cosφ∈[0,4; 0,9] могут быть заданы A_λ=-0,45, A_α=-0,94 и A₀=2,93. При этом погрешность вычисления p(α, λ) не превышает 4% (фиг.4).

Пример. Производили два включения машины МТПУ-300 в режиме короткого замыкания на V ступени сварочного трансформатора (K_m=100) с углом открытия тиристоров α=90 электрических градусов, при этом во время второго включения внутрь вторичного контура был введен стальной лист толщиной 5 мм с габаритами 400×400 мм. По приведенным в табл.2 результатам измерений и вычислений активного сопротивления вторичного контура в режиме короткого замыкания r_2к в соответствии с формулами (1) и (2) было принято r_2к=144 мкОм.

При тех же условиях производилось два включения машины в режиме нагрузки с зажатием между электродами эталонного водоохлаждаемого сопротивления номиналом 100 мкОм, причем во время второго включения внутрь вторичного контура был введен стальной лист толщиной 5 мм с габаритами 400×400 мм. Результаты измерений, вычисления сопротивления вторичного контура в режиме нагрузки r₂ в соответствии с формулами (1) и (2) и вычисления сопротивления сварочного контакта как разности приведены r₂ и r_2к в табл.3.

Таблица 2   № периода 1 2 3 4 5 6 U_c, В 380 α, град 90 Опыт 1 λ, град 140,9 141,8 142,2 142,2 142,2 142,2 I₂, кА 8,7 8,9 9,0 9,0 9,0 9,0 r_2к, мкОм 152 145 142 142 142 142 Опыт 2 λ, град 148,2 149,1 149,5 149,5 149,5 149,5 I₂, кА 7,1 7,2 7,3 7,3 7,3 7,3 r_2к, мкОм 155 149 145 145 145 145

Таблица 3   № периода 1 2 3 4 5 6 U_c, В 380 α, град 90 Опыт 1 λ, град 129,5 129,9 130,4 130,0 130.1 130,2 I₂, кА 6,7 6,8 6,9 6,9 6,9 6,9 r₂, мкОм 248 242 236 238 237 237 r₂-r_2к, мкОм 104 98 92 94 93 93 Опыт 2 λ, град 138,1 138,5 139,0 139,2 139,1 139,0 I₂, кА 5,6 5,7 5,8 5,8 5,8 5,8 r_2к, мкОм 250 244 237 236 237 237 r₂-r_2к, мкОм 106 100 93 92 93 93

Таким образом, предложенный способ измерения сопротивления сварочного контакта не требует измерения падения напряжения на электродах, может быть осуществлен при помощи простых аппаратных средств, обладает погрешностью, не превышающей 10%, и может быть применен как для прогнозирования качества выполняемых соединений, так и при построении систем автоматического управления сваркой.

Способ может быть использован для контроля работы машин контактной точечной сварки и автоматического управления ими. Определяют напряжение питающей сети U_c и коэффициент трансформации K_m перед включением тока. Измеряют действующее значения тока 12 и длительность λ импульса тока при известном угле α открытия тиристоров в режимах короткого замыкания и сварки. Вычисляют активные сопротивления вторичного контура r_2к и r₂ в режимах короткого замыкания и сварки по заданной формуле, а сопротивления сварочного контакта определяют как разность сопротивлений r₂ и r_2к. При вычислении сопротивлений используют функцию р(α, λ), которую задают в соответствии с эмпирической формулой p(α, λ)=А_λ·λ+А_α·α+А₀, где коэффициенты А_λ, А_α и А₀ выбирают исходя из условия минимизации погрешности вычислений. Преимуществами способа являются простота аппаратных и вычислительных средств, низкая погрешность за счет отказа от измерения падения напряжения на электродах и компенсации возмущающих воздействий. 4 ил., 3 табл.

Способ измерения сопротивления сварочного контакта при контактной сварке, предусматривающий определение напряжения питающей сети U_c и коэффициента трансформации K_т перед включением тока, измерение действующего значения тока I₂ и длительности λ импульса тока при известном угле α открытия тиристоров в режимах короткого замыкания и сварки, отличающийся тем, что сопротивления вторичного контура в режимах короткого замыкания и сварки определяют по формуле

где r_2к и r₂ - активные сопротивления вторичного контура в режиме короткого замыкания и в режиме сварки, а функцию p(α, λ) задают через значения α и λ в соответствии с эмпирической формулой
p(α, λ)=А_λ·λ+А_α·α+А₀,
в которой коэффициенты А_λ, А_α и А₀, соответственно, равны -0,45, -0,9 и 2,93, а сопротивление сварочного контакта определяют как разность сопротивлений r₂ и r_2к.