Система автоматического управления процессом сварки Советский патент 1984 года по МПК B23K9/10 

модели изменения глубины проплавления, четвертого - к модели изменения ширины шва, пятого - к модели изменения высоты усиления, шестого - к модели изменения ширины обратной стороны шва,

3. Система по пп. 1 и 2, о т л ичающаяся тем, что дополнительно содержит кррректирующее звено, состоящее из интегратора,,усилителя

и сумматора и включенное между вькодом шестого сумматора и входами усилителей с переменным коэффициентом усиления, причем входы интегратора и усилителя связаны с выходом шестого сумматора, а их выходы - с входом сумматора корректирующего звена, выход которого связан с входами усилителей с переменным коэффициентом усиления.

1. СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СВАРКИ, содержащая регулятор напряжения холостого хода, привод подачи электрода и привод изменения скорости сварки, подключенные к системе источник питания - дуга - сварной шов, состоящей из моделей дуги, источника питания, вылета электрода, капли расплавленного металла, изменения глубины проплавления, ширины шва, высоты усиления, ширины обратной стороны шва, привода подачи электрода и привода изменения скорости сварки, о тличающ а я с я тем, что, с целью повышения качества сварки за СЧРТ повышения точности регулирования параметров сварочного пронесся., система снабжена восемнадцатью усилителями с переменным коэффициргтом усиления, девятью сумматорами и шестью узлами задания, причем входы первого сумматора соединены с выходом первого узла задания и выходом модели источника питпния, второго сумматора - с выходом второго узла задания и выходом модели изменения глубины проплавления, третьего - с выходом третьего узла задания и выходом модели изменения ширины щва, четвертого - с выходом четвертого узла задания и выходом модели изменения высоты усиления, пятого - с выходом пятого узла задания и выходом модели изменения ширины обратной стороны шва, шестого - с выходом шестого узла задания и выходом систем. 1сточник питания - дуга - сварной шов выходы перечисленных сумматоров через усилители с пе(Л ременным коэффициентом усиления связаны с входами седьмого, восьмого и девятого сумматоров, выход седьмого сумматора подключен к входу модели источника питания и регулятору напряжения холостого хода, выход восьмого сумматора - к входу привода изменения скорости сварки и модели привода vj изменения скорости сварки, а выход со девятого сумматора - к входу привода vj подачи электрода и модели привода поел дачи электрода. 2. Система поп. 1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит шесть корректирующих усилителей и десятый сумматор, причем входы корректирующих усилителей подключены к выходу десятого сумматора, входы которого подключены к выходу i модели дуги и системе источник пи.т ания - дуга - сварной шов, выход первого корректирующего усилителя подключен к модели источника питания, второго - к модели дуги, третьего - к

1

Изобретение относится к автоматизации сварочных процессов, в частности к системам автоматического управления процессом дуговой сварки.

Известно устройство для автоматического управления процессом сварки, содержащее узел измерения режимов сварки, задатчики, узлы управления током сварки и скоростью подачи присадочной проволоки, в котором осуществляется регулирование глубины проплавления, высоты усиления и ширины шва при изменяющихся в процессе сварки зазоре между свариваемыми кромками, скорости сварки и толщины свариваемого металла 1.

Рднако данное устройство работает с большими погрешностями, точность регулирования низкая, так как ширину шва и высоту усиления в процессе сварки измеряют лишь косвенно и, следовательно, неточно, что ведет к несоответствию расчетной величины за-. Дания по ширине шва и высоте усиления текущим значениям этих napai«teTров и низкому качеству сварных соединений.

Известно устройство, моделирующее систему источник питания - дуга - сварочный шов с автоматическим регулдтором напряжения на дуге 2.

Недостатками этого устройства являются низкое быстродействие, позволяющее отрабатывать только медленно изменяющиеся возмущения, и невозможность осуществлять регулирование мгновенных значений напряжения в процессе сварки. В качестве выходной координаты используется только напряжение на дуге. Такая информация не полностью характеризует процессы, происходящие при сварке, и управление не может осуществляться достаточно эффективно и с необходимой точностью. Возможны такие явления как прожог, недостаточная глубина проплавления и т.д. Кроме того, управление только по напряжению на дуге не позволяет получить регулятор с хорошими динамическими свойствами.

Наиболее близким к изобретению является автоматический регулятор электрического режима сварочных машин, содержащий узлы задания и синхронизации управляющего сигнала, узел измерения контролируемого параметра, орган выделения сигнала рассогласования, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, исполнительный орган с формирователем управляющих импульсов 3 .

Недостатком данного устройства является то, что его быстродействие принципиально не может иревътатъ период напряжения питающей сети, т.е. .0,02 с, что недостаточно для управления быстроизменяющимися процесса, ми при сварке. Кроме того, так как параметры дуги изменяются в очень широком -диапазоне и изменяется не только коэффициент передачи, но и другие параметры, то подстройкой коэффициента передачи не всегда возможно обеспечить устойчивость регулятора и стабилизацию параметров дуги, заданных моделирующим устройством.

5 При подстройке только коэффициента передачи не учитываются динамические свойствадуги и изменение ее характеристики, что снижает качественные показатели регулятора в целом.

В устройстве не учитываются динами31ческие свойства системы источник пи тания - дуга - сварной шов и в процессе регулирования возникают перенапряжения и песенагрузки.по току на силовых элементах источника питания вследствие того, что регулятор работает с перерегулированием. Целью изобретения является повышение качества сварки за счет повьппе ния точности регулирования параметро сварочного процесса. Поставленная цель достигается тем что система автоматического управления процессом сварки, содержащая регулятор напряжения холостого хода, привод подачи электрсра и привод изменения скорости сварки, подключенны к системе источник питания - дуга сварной шов и модель системы источник питания - дуга - сварной шов, со тоящей из моделей дуги, источника пи тания, выпета электрода, капли расплавленного металла, изменения глубины проплавления, ширины шва, высоты усиления, ширины обратной стороны шв привода подачи электрода и привода изменения скорости сварки, снабжена восемнадцатью усилителями с переменным коэффициентом усиления, девятью сумматорами и шестью узлами задания, причем входы первого сумматора соеди нены с выходом первого узла задания и выходом модели источника питания, второго - с выходом второго узла задания и выходом модели изменения глу бины проплавления, третьего - с выходом третьего узла задания и выходом модели изменения ширины шва, чет вертого - с выходом четвертого узла задания и выходом модели измерения высоты усиления, пятого - с выходом пятого узла задания и выходом модели изменения ширины обратной стороны шва, шестого - с выходом системы источник питания - дуга - сварной шов и выходом шестого узла задания, выхо ды перечисленных сумматоров через усилители с переменным коэффициентом усиления связаны с входами седьмого, восьмого и девятого сумматоров, выход седьмого сумматора подключен к входу модели источника питания и регулятору напряжения холостого хода, выход восьмого сумматора - к входу природа изменения скорости сварки и модели привода изменения скорости -, сварки, а выход девятого сумматора к входу привода подачи электрода и модели привода подачи электрода. 5 Система может дополнительно содержать шесть корректирующих усилителей и десятый сумматор, причем входы корректирующих усилителей подключены к выходу десятого сумматора, входы которого подключены к выходу модели дуги и системе источник питания - дуга - сварной шов, выход первого корректирующего усилителя под- , ключен к модели источника питания второго - к модели дуги, третьего к модели изменения глубины проплавления, четвертого - к модели изменения ширины шва, пятого - к модели изменения высоты усиления, шестого к модели изменения ширины обратной стороны шва. Кроме того, система может дополнительно содержать корректирующее звено, состоящее из интегратора, усилителя и сумматора и включенное между выходом шестого сумматора и входами усилителей с переменным коэффициентом усиления, причем входы интегратора и усилителя связаны с выходом шестого сумматора, а их выходы с входом сумматора корректирующего звена, выход которого связан с входами усилителей с переменным коэффициентом усиления. На чертеже представлена функциональная схема системы автоматического управления процессом сварки. Система состоит из привода 1 подачи электрода, привода 2 изменения скорости сварки, регулятора 3 напряжения холостого хода, подключенных к системе А источник питания - дуга сварочная ваннаV; модели 5 системы источник питания - дуга - сварочная ванна, состоящей из модели источника питания, образованной блоком 6 и сумматором 7, причем выход блока 6 соединен с одним из входов сумматора 7,модели дуги, образованней блоками 8,9, 10 и сумматором 11, при этом входы блоков 8 и 9 соединены с выходами сумматора 7, а выходы подключены к входам сумматора 11. к третьему входу которого подключен блок 10, модели капли расплавленного металла, образованной блоками 12. 13 и сумматором 14. причем вход блока 12 подключен к выходу сумматора 7, вход блока 13 - к выходу сумматора 11, а выходы блоков 12 и 13 подключены к входам сумматора 1А, модели вылета электрода, образованной блоками 15, 16, 17 и 18, сумматорами 19 и 20, и инвертором 21, причем вход блока 15 Подключен к сумматору 7, вход блока 16 - к выходу инвертора 21, а выходы блоков 15 и 16 соединены с входами сумматора 20, выход которого подключен к входу сумматора 14,соединен ного с входом блока 18, подключенного к cy tмaтopy 19, второй вход которого соединен с выходом блока 17, а выход подключен к входу инвертора 21 и блоку 10, модели 22 привода изменения скорости сварки, выход которой подключен к блоку 17 модели вылета электрода, модели 23 привода 1подачи электрода,выход которой соеди .нен с сумматором 20 модели вылета электрода модели изменения глубины «проплавления, образованной блоками , 25 -И сумматором 26, модели изменения ширины шва, образованной блоками 27, 28 и сумматором 29, модели изменения высоты .усиления шва, образованной блоками 30, 31 и сумматором 32, модели изменения ширины обратной стороны шва, образованной блоками 33 34 и сумматором 35, причем вход блоков 24, 27, 30 и 33 подключен к выходу сумматора 11 модели дуги,вход блоков 25, 28, 31 и 34 - к выходу сумматора 7 модели источника питания входы сумматора 26 подключены к ходам блоков 24 и 25, входы сумматора 29 - к выходам блоков 27 и 28, входь сумматора 32 - к выходам блоков 30 и 31, входы сумматора 35 - к выходам блоков 33 и 34 шести коррек тирующих усилителей 36 - 41, при этом вьпхбд усилителя 36 подключен к сумматору 7, выход усилителя 37 - к сумматору 11, выход усилителя 38 к суг.1матору 26, выход усилителя 39 к сумматору 29, выход усилителя 40 к сумматору 32, в; , усилителя 41 к сумматору 35, шести узлов задания 42 - 47, восьми сумматоров 48 - 55, интегратора 56 и усилителя 57, при этом прямой вход сумматора 48 подклю чен к выходу сумматора 7 модели источника питания, а инверсный к вых ду узла задания 42 по току сварки, прямой вход сумматора 49 подключен к выходу сумматора 26,а инверсный - к выходу узла задаьшя 43 по глубине проплавления, прямой вход сумматора 50 подключен к выходу сумматора 29, а инверсный - к выходу узла задания 44 по ширине шва, прямой вход сумматора 51 подключен к выходу сумматора 32, а инверсный - к выходу узла задания 45 по высоте усиления шва, прямой вход сумматора 52 подключен к выходу сумматора 35, а инверсный - к выходу узла задания 46 по ширине.обратной стороны шва, прямой вход сумматора 53 подключен к выходу системы источник питания - дуга - сварочная ванна 4, инверсный - к выходу узла задания 47 пр напряжению на дуге, а выход - к входу интегратора 56 и усилителя 57, выходы которых подключены к входам сумматора 54, прямой вход сумматора 55 подключен к выходу сумматора 11, инверсный- к системе 4 источник питания - дуга - сварочная ванна, а выход подключен к входам корректирующих усилителей 36 41, восемнадцати усилителей с переменным коэффициентом усиления 58-75 и трех сумматоров 76-78, при этом вы- ход сумматора 48 подключен к входам усилителей 73, 74 и 75, выход сумматора 49 - к входам усилителей 61, 62 и 63, выход сумматора 50 - к входам усилителей 64, 65 и 66, выход сумматора 51 - к входам усилителей 67, 68 и 69, выход сумматора 52 - к входам усилителей 70, 71 и 72, выход сумматора 54 - к входам усилителей 58,59 и 60, выходы усилителей 58, 61, 64, 67, 70 и 73 подкл1очены к входам сумматора 76, выход которого подключен к входу регулятора 3 напряжения холостого хода и модели 6 источника питания, выходы усилителей 59,62, 65, 68, 71, 74 подключены к входам сумматора 77, выход которого подключен к приводу 2 изменения скорости сварки и модели 22 привода изменения скорости сварки, выходы усилителей 60, 63, 66, 69, 72, 75 подключены к входам сумматора 78, выход которого подключен к приводу 1 подачи электрода и модели 23 привода подачи электрода. Передаточные функции звеньев модели имеют следующий вид: w.. w 18 p 24 Т Пр-И 2Ь ., W . w . Пр.1 Пр.1 W . ш - . U, . от 31 т 34 пр+1 пр+1 где - коэффициенты питающей сети по напряжению; R , R - динамическое и статическое сопротивления дуги; I -коэффициенты глубины проплавления по току и напряжению; , К , коэффициенты ширины шва по току и напряжению; jr I -коэффициенты высоты усиле ния шва по току и напряжению;Tp(4|9|T J,Tg- постоянные времени питающей сети, дуги, сварочной ванны, капли расплавленно го металла (определяется частотой переноса капель) и вьшета электрода (определяется теплоемкостью вы лета) ; ат I с , коэффициенты саморегулиР I DA рования по току через подогрев вылета электрода и по длине вьшета электрода К, К - коэффициент суморегулиров Т ( ТН ния по току и напряжению через плавление торца (ка ли) электрода; Кл(- - коэффициент изменения , вылета электрода по скорост сварки. На выходах моделей формируются сиг налы, пропорциональные току сварки 1 j,g, глубине проплавления - Н, ширине шва-В, высоте усиления -tn и ширине обратной стороны шва - м . Напряжение на дуге (v.) измеряется непосредственно в процессе сварки. Н, В, i ICB А являются координатами состояния сварочного процесса и наиболее полно отражают динамические и статические процессы, протекающие при сварке. Выходы модели 5 подключены к соответствующим усилителям с переменными коэффициентами усиления. 1 5 Усилители 58-75 и сумматоры 76 78 образуют обратную связь по напряжению на дуге, току сварки, глубине проплавления, ширине шва, высоте усиления и ширине обратной стороны шва, причем сигнал управления с первого сумматора 76 подается на регулятор изменения напряжения холостого хода, с второго сумматора 77 - на привод изменения VCB , с третьего сумматора 78 - на привод подачи электрода. Коэффициенты обратной связи, т.е. коэффициенты усиления усилителей 58 - 75, рассчитываются по известной методике, исходя из математического описания модели сварочного процесса и выбранного критерия качества. В качестве последнего применен интегральный квадратичный критерий вида зЛ r(tl(lx(th7(t|R7(t)J (1, где j-e,, Н В, m , п , Уд - вектор состояния системы источник питания - дуга сварной шов, пэ управляющих переменных, хх сеI пэ напряжение холостого хода, скорость сварки и скорость подачи электрода соответственно, Q И- R - матрицы, накладывающие штраф на отклонения соответствующих координат состояния от заданных значений, Т - знак транспонирования. Так как система источник питания уга - сварной шов описывается системой линейных дифференциальных уравений, которые в векторно-матричной орме могут быть представлены в вие . (tU8U(t), (2) де А - матрица коэффициентов, характеризующая динамику объекта управления (в данном случле динамику системы 4), В - матрица коэффициентов, хара теризующая динамику исполни тельных механизмов (в данно случае привода 1 подачи эле рода, привода 2,изменения скорости сварки и регулятор 3 напряжения холостого хода то коэффициенты обратной связи могут быть найдены из решения уравне ния Риккати то 1 т ТР -R +Q 0, где Р - единственное положительное определенное решение уравне ния (3). Уравнение обратной связи будет иметь вид (t,l -R BPx(tl-K(t) , (4) где К - матрица коэффициентов обратной связи, т.е. матрица коэф фициентов усиления усилителей 58-75. В результате такого синтеза обрат ной .связи и исходя из условия оп- имальности система автоматического управления является не только устойч вой, но и обеспечивает минимальные отклонения регулируем1 1Х параметров (JCB А 1 В, m , п ) от заданных значений. Выбор в качестве регулируе мых параметров напряжения на дуге, тока сварки, глубины проплавления ширины шва, высоты усиления и ширины обратной стороны пгва обусловлен тем что чем меньше отклонение указанных величи } от заданных значений, тем выше качество сварных соединений. Кроме того, учитываются динамические свойства приводов поДачи электрода и изменение скорости сварки. Заданные значения регулируемых ве личин формируются в узлах задания 42-47 и сигналы рассогласования с сумматоров 48-53 подаются на соответ ствующие усилители с переменным коэф фициентом усиления. Сигнал управления на изменение напряжения холостого хода формируется с помощью усилителей 58, 61, 64, 67, 70, 73 и суммирующего устройства 76 и подается одновременно на регулятор 3 напряжения холостого хода и модель 6 источника питания. Сигнал управления на. изменение скорости сварки формулируется с помощью усилителей 59, 62, 65, 68, 71 т 74 и суммирующего устройства 77 и подается одновременно на привод 2 1изменения скорости сварки 2 и модель 22 привода изменения скорости сварки. Сигнал управления на изменение скорости подачи электрода формируется с помощью усилителей 60, 63, 66, 69, 72 и 73 и суммирующего устройства 78 и подается одновременно на привод 1 подачи, электрода и модель 23 привода подачи электрода. В результате любое отклонение тока сварки, напряжения на дуге, глубины проплавления, ширины шва, высоту усиления или ширины обратной стороны шва будет компенсировано с помощью обратной связи управлением скоростью сварки, скоростью подачи электрода и изменением напряжения холостого хода, т.е. параметры , д , Н, В, m , п будут постоянны в процессе сварки, что позволит получить высококачественные сварные соединения. В процессе сварки под действием i различного рода возмущений параметры системы источник питания - дуга - сварной шов будут изменяться. Следовательно, чтобы точность регулирования параметров сварки не сншгялась при изменении параметров системы 4 и параметры модели 5 соответствовали параметрам системы 4, необходимо корректировать модель 5 таким образом, чтобы она была адекватна системе 4 при действии различного рода возмущений. Коррекция параметров модели осуществляется с помощью корректирующих усилителей 36-41 по изменению напряжения на дуге, непосредственно измеряемого в процессе сварки. Изменение мгновенных значений напряжения на дуге отражает изменение характеристик системы 4 источник питания дуга - сварной шов и служит информацией для коррекции параметров модели. Сигнал коррекции формируется на выходе восьмого сумматора 55 как разность напряжения на дуге, измеряемого на выходе системы источник питания - дуга - сварной шов и напряжения на дуге. Коэффициенты усиления корректирующих усилителей 36-41 определяются по характеристическому полиному системы, исходя из требуемой динамики модели и условия быстрейшего затухания возможных рассогласований между параметрами системы 4 и модели 5. Для ликвидации статической ошибки в процессе регулирования в систему вводится интегральная составляющая отклонения выходного сигнала объекта управления от сигнала задания. Эта составляющая формируется с помощью интегратора 56, усилителя 57 с коэффициентом усиления, равным постоянной времени объекта управления и шес .того сумматора 53, Этим сигналом ком пенсируется статическая ошибка и она будет равна нулю независимо от характера действунмцих на объект упра ления возмущений, так как фактически здесь вводится астатизм первого порядка. Базовым объектом является сварочный робот модели И1А, выпускаемьй экспериментальным заводом ВИСП, г. Киев. Робот оснащен системой автоматического регулирования напряже ния на дуге. Недостатком этой системы является низкая точность регулирования выходных параметров сварки, невысокое быстродействие, определяемое периодом сетевого напряжения, низкие динамические свойства системы, позволяющие отрабатывать только медленно изменяющиеся переходные процессы, невозможность регулирования мгновенных значений тока в сварочной цепи и параметров шва. Применение изобретения позволит повысить точность регулирования выходных параметров сварочного процесса и быстродействие регулирования. Использование а контуре обратной связи всех параметров состояния Позволяет исключить перенапряжение на различных элементах схемы и перегрузки по току и значительно улучшить качество сварных соединений, сократить удельный расход электроэнергии и электродного металла, увеличить производительность автоматической сварочной установки.