Система автоматического управления процессом сварки Советский патент 1991 года по МПК B23K9/10 

Изобретение относится к автоматизации сварочных процессов и может применяться в автоматизированных сварочных установках робототехнологических сварочных комплексах.

Цель изобретения - повышение точности регулирования параметров сварного шва.

Указанная цель достигается за счет повышения соответствия параметров модели параметрам системы источника питания - дуга - сварной шов за счет введения в модель информации о величине скорости сварки.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемой системы автоматического управления процессом сварки.

Система состоит из привода 1 подачи электродной лроволоки, привода 2 изменения скорости сварки, регулятора 3 напряжения холостого хода, которые своими выходами связаны с входами системы 4 источник питания - дуга - сварной шов. Один из выходов системы 4 связан с входами элементов 5 и 6 сравнения. Второй вход элемента 6 сравнения связан с выходом узла 7 задания. Выход элемента 6 сравнения связан с входом усилителя 8 и входом интегратора 9. Выходы усилителя 8 и интегратора 9 связаны с входами сумматора 10. Выход сумматора 10 связан с входами усилителей 11 -13. Выходы усилителей 11 -13 связаны соответственно с входами сумматоров 14-1G. Выход сумматора 14 связан с входами блока 17 модели привода подачи электродной проволоки и с входом привода 1 подачи электродной проволоки.

Второй выход системы 4 связан с входом сумматора 18, второй вход которого связан с узлом 19 задания скорости сварки. Выход сумматора 18 связан с входами корректирующих усилителей 20-23.

Выходы усилителей 20-23 связаны соответственно с входами сумматоров 24-27. Выход сумматора 27 связан с входом элемента 28 сравнения, другой вход которого связан с выходом узла 29 задания. Выход элемента 28 сравнения связан с вхооэ

ГС

о

N3

со

05

ю

дами усилителей 30-32. Выходы усилителей 30-32 связаны соответственно с входами сумматоров 14-16.

Третий выход системы 4 связан с входом элемента 33 сравнения. Выход элемента 33 сравнения связан с входами корректирующих усилителей 34-39. Выход усилителей 36- 39 связан соответственно с входами сумматоров 24-27. Выход элемента 5 сравнения связан с входами корректирующих усилителей 40-45. Выходы усилителей 42- 45 связаны с вторыми входами сумматоров 24-27. Выход сумматора 26 связан с входом элемента 46 сравнения, второй вход которого связан с выходом узла 47 задания, а выход - с усилителями 48-50. Выход матора 25 связан с входом элемента 51 сравнения, второй вход которого связан с выходом узла 52 задания. Выход элемента 51 сравнения связан с входами усилителей 53-55. Выходы усилителей 53-55 связаны с вторыми входами сумматоров 14-16.

Выход сумматора 24 связан с входом элемента 56 сравнения, второй вход которого связан с выходом узла 57 задания. Выход элемента 56 сравнения связан с вхо- дами усилителей 58-60. Выходы усилителей 58-60 связаны с третьими входами сумматоров 14-16.

Выход сумматора 15 связан с входом модели 61 привода изменения скорости сварки и приводом 2 изменения скорости свар- ки. Выход сумматора 16 связан с входом блока 62 и входом регулятора напряжения холостого хода. Выход блока 62 связан с одним из входов сумматора 63. Другие входы сумматора 63 связаны с выходами корректирующих усилителей 35 и 41. Выход сумматора 63 связан с входами блоков 64-67 и с входами элементов 33 и 68

5 л

5

0 5

сравнения, а также с входами блоков 69- 72. Выходы блоков 69-72 связаны с входами сумматоров 24-27. Вход элемента 68 сравнения связан с выходом узла 73 задания, а выход - с усилителями 74-76. Выходы усилителя 74-76 связаны с четвертыми входами сумматоров 16, 15 и 14.

Выходы блоков 64 и 65 и корректирующих усилителей 34 и 40 связаны с входами сумматора 77, выход которого связан с входами элемента 5 сравнения, а также с входами блоков 78-82. Выходы блока 79-82 связаны с входами сумматоров 24-27.

Выходы блоков 17 и 67 связаны с входами сумматора 83, а выход сумматора 83 связан с входом сумматора 84, другие входы которого связаны с выходами блоков 66 и 78. Выход сумматора 84 связан с входом блока 85, выход которого связан с входом сумматора 86, выход блока 85 через блок 87 связан с входом сумматора 77. Выход сумматора 86 также связан с входом блока 88, выход которого подключен к входу блока 89. Выход блока 89 связан с третьим входом сумматора. 83. Выход блока 61 через блок 90 связан с входом сумматора 86.

Элементы 17, 24-27, 61-67, 69-72, 77-90 составляют модель 91 процесса формирования шза.

Система автоматического управления процессом сварки работает следующим образом.

В модели 91 моделируются процессы, протекающие iipn сварке в источнике питания, дуге, вылете электрода, приводе подачи электрода, приводе изменения скорости сварки, а также в сварочной ванне в процессе формирования сварочного шва. Передаточные функции имеют следующий вид:

Изобретение относится к автоматизации сварочных процессов и может применяться в автоматизированных сварочных с- тановках, робототехнологических сварочных комплексах. Целью изобретения является повышение качества сварного соединения посредством учета влияния изменения скорости сварки на процесс формирования сварного шва. Цель достигается за счет повышения соответствия параметров модели параметрам реальной системы источник питания - дуга - сварной шов путем введения в модель информации о величине скорости сварки. 1 ил.

KL.WC

т.т - --- - .

%- Т

KOV

%

гдеК с - коэффициент питающей сети по напряжению; , - динамическое и статическое сопротивление дуги; К, К™, К - коэффициенты глубины проплавления по току, напряжению и скорости сварки;К, Кшн, Кш - коэффициенты ширины

шва по току, напряжению и скорости сварки;

Кут, КУ, - коэффициенты высоты усилия шва по току, напряжению и скорости сварки; Кот, Кон, KOV - коэффициенты изменения

ширины обратной стороны шва по току, напряжению и скорости сварки;

Тис, в, Тк, Тв, Тм - постоянные времени питающей сети, дуги, капли расплавленного металла (определяется частотой переноса капель), вылета электрода (определяется теплоемкостью вылета), сварочной ванны;

Квг, Квд - коэффициенты саморегули- рования по току через подогрев вылета электрода и по длине вылета электрода;

К™, К™ - коэффициенты саморегулирования по току и напря- жению;

Кдс - коэффициент изменения вылета электрода по скорости сварки.

На выходах моделей формируются сигналы, пропорциональные току сварки 1св, глубине проплавления Н, ширине шва В, высоте усиления m и ширине обратной стороны шва п. Напряжение на дуге 1Ь, ток сварки Ьв и скорость сварки измеряются непосредственно в процессе сварки. Н, В, т, п 1св и Уд являются координатами состояния сварочного процесса и отражают динамические и статические процессы, протекающие при сварке. Выходы модели 91 подключены к соответствующим усилителям с переменными коэффициентами усиления.

Усилители 11 -13, 58-60, 53-55, 48-50, 30-32, 74-76 и суммирующие устройства 14-16 образуют обратную связь по напряжению на дуге, току сварки, глубине проплавления, ширине шва, высоте усилия и ширине обратной стороны шва, причем сигнал управления с сумматора 16 подается на регулятор изменения напряжения холостого хода, с сумматора 15 на привод изменения VCB, с сумматора 14 - на привод подачи электрода. Коэффициенты обрат- ной связи, т. е. коэффициенты усилителей 11 - 13, 30-32, 48-50, 53-55, 58-60, 74-76 рассчитываются исходя из математи0

5

Q

5

25

3Q

5 45

0

ческого описания модели сварочного процесса и выбранного критерия качества. В качестве критерия выбран интегральный квадратичный критерий вида

(t)Qxr/t) + U(t)RUr(t)jdt, (1)

fcB,U.i,H,B,m,nj -вектор состояния

системы источник питания

гсварной шов;

U ,Л чэ -вектор управляющих переменных, компонентами которого являются напряжение холостого хода источника питания дуги, скорость сварки, скорость подачи электродной проволоки; Q, R - матрицы, накладывающиена отклонения соответствующихкоординат состояния процесса от заданных значений;

Т - знак транспортирования.

В результате такого синтеза обратной связи, исходя из условия оптимальности, т. е. обеспечения минимума критерию качества (1) система автоматического управления будет не только устойчива, но и обеспечивает минимальное отклонение регулируемых параметров (L, LL, в, Н, В, т, п) от заданных значений. Выбор в качестве регулируемых параметров напряжения на дуге, тока сварки, глубины проплавления, ширины шва, высоты усиления и ширины обратной стороны шва объясняется тем, что, чем меньше будет отклонение указанных величин от заданных значений, тем выше будет качество сварных соединений. Кроме того, учитываются динамические свойства приводов подачи электрода и изменение скорости сварки.

Заданные значения регулируемых величин формируются в узлах 7, 29, 47, 52, 57 и 73 задания и сигналы рассогласования с сумматоров 6, 28, 46, 51, 56 и 68 подаются на соответствующие усилители с переменным коэффициентом усиления.

Сигнал управления на изменение напряжения холостого хода формируется с помощью усилителей 13, 32, 50, 55, 60 и 74 и сумматора 16 по следующему закону:

ихх К|зДи. + КбоДН+К55В + К5пЛт +

+ К70ДП+К74Д1«

и подается одновременно на регулятор изменения напряжения холостого хода и модель источника питания. Здесь ALh, ЛН,

ЛВ, Дт, An, ДЬв - отклонения параметров от заданных значений.

Сигнал управления на изменение скорости сварки формируется с помощью усилителей 12, 31, 49, 54, 59 и 75 и сумматора 15 по закону у К,2Дид + К59ДН+К54ДВ+К49Дт +

v+Кз1Дп+К75Д1

и подается одновременно на привод изменения скорости сварки и модель 16 привода изменения скорости сварки.

Сигнал управления на изменение скорости подачи электрода формируется с помощью усилителей 11, 30, 48, 53, 58 и 76 и сумма тора 14 по закону у КпД1К+К58ДН+К5зДВ+К4вДт+

v +КзоДп+КгвД1св

и подается одновременно на привод 1 подачи электродной проволоки и блок 17 модели привода электродной проволоки.

В результате любое отклонение тока сварки, напряжения на дуге, глубины про- плавления, ширины шва, высоты усилия, ширины обратной стороны шва будет компенсировано с помощью обратной связи, т е изменением U, VCB и УИЭ, т. е. параметры In., LK, Н, В, m, n будут постоянны в процессе сварки, что позволит получить высококачественные сварные соединения.

Коррекция параметров модели системы источник питания - дуга - сварной шов осуществляется с помощью корректирующих усилителей 20-23, 34-39 и 40-45 по изменению напряжения на дуге, тока сварки и скорости сварки. Изменение значений напряжения на дуге Ua, тока сварки 1св и скорости сварки VCB отражает изменение характеристик системы 4 источник питания - дуга - сварной шов и служит информацией для коррекции параметров модели 91 Сигналы коррекции формируются на выходах сумматоров 5 и 33, как разности напряжения на дуге и тока сварки, измеряемых на выходе системы 4 источник питания - дуга - сварной шов и получаемых в модели 91, а также на выходе сумматора 18, как разность между заданной (эталонной) и действительной (измеряемой датчиком обратной связи) скоростью сварки. В результате модель 91 будет подстраиваться в процессе сварки при изменении внешних условий и действии помех и возмущений на систему 4.

Для ликвидации статической ошибки в процессе регулирования в систему введена интегральная составляющая отклонения выходного сигнала объекта управления (в данном случае напряжения на дуге) от сигнала задания. Эта составляющая формируется с помощью интегратора 9, усилителя 8 с коэффициентом усиления, равным постоянной времени объекта управления. Этим сигналом компенсируется статическая ошибка, и она будет равна нулю независимо от характера действующих на объект управления возмущений.

В качестве базовою образца принят сварочный робототехнологический комплекс РБ-251, оснащенный жесткопрограммируе0 мой системой автоматического управления процессом сварки.

Таким образом, применение предлагаемой системы позволяет повысить точность регулирования геометрических размеров свар5 ного шва.

Формула изобретения

Система автоматического управления процессом сварки по авт св. № 1199519,

0 отличающаяся тем, что, с целью повышения точности регулирования геометрических размеров сварочного шва, она дополнительно снабжена четырьмя корректирующими усилителями, сумматором и узлом задания скорости сварки, причем прямой вход- сумма5 тора подключен к узлу задания скорости сварки, его инверсный вход - к выходу системы источник питания - дуга - сварочный шов, а выход сумматора подключен через четыре корректирующих усилителя к входам модели изменения глубины

0 проплавления, модели изменения ширины шва, модели изменения высоты усиления и модели изменения ширины обратной стороны шва.