Следящие системы с дуговыми датчиками

Эти системы основаны на использовании электрической цепи, образуемой электродом, изделием и сварочной дугой, горящей между ними. Другими словами дуга сама является датчиком. Использование сварочной дуги в качестве датчика положения основано на измерении параметров дугового процесса, зависящих от расстояния между концом электрода и поверхностью изделия (длины дуги). При сварке плавящимся электродом в качестве основного информационного параметра используется сварочный ток (сварка без коротких замыканий), а при сварке неплавящимся электродом – напряжение на дуге. При сварке с короткими замыканиями можно использовать в качестве представляющего параметра частоту коротких замыканий. Сравнительно простыми являются системы, используемые при сварке крупногабаритных изделий, когда по технологии предусмотрены поперечные колебания поперек шва. В этом случае для построения образа целесообразно использовать метод контроля изменения формы сварочного тока и напряжения и метод гармонического анализа тока от напряжения при поперечных колебаниях электрода. В этом методе сравниваются сигналы в левом и правом полуциклах колебания дуги. При смещении электрода от центра эти сигналы различны. Недостаток метода – его низкая помехозащищенность. Другой метод предполагает разработку математической модели, позволяющей анализировать гармоники тока и напряжения, кратных частоте колебаний. Этот метод более сложный, но и более надежный и информативный, так как можно получить информацию о форме разделки кромок, положении стыка в пространстве, длине дуги и вылете электрода. Оба метода применимы к стыковым, тавровым и угловым соединениям. Изменение тока и напряжения дуги при колебаниях сварочной горелки поперек шва по синусоидальному закону показано на рис. 47.

Рис. 47. Форма сигналов тока и напряжения дуги при её поперечных колебаниях во время сварки плавящимся электродом: L, C, R – левое, среднее и правое положения дуги относительно стыка; закон поперечных колебаний – синусоидальный; Т – период колебаний

Возможно сканирование путем отклонения дуги магнитным полем при сварке неплавящимся электродом и плавящимся при мелкокапельном переносе. Параметры развертки в этом случае могут выбираться в более широких пределах, так как частота отклонения дуги может быть значительно больше, а время отклонения меньше, чем при электромеханических колебаниях. Такая система сканирования показана на рис. 48.

Рис. 48. Система сканирования сварочной дугой с отклонением магнитным полем: а – функциональная схема; б – схема горения дуги при колебаниях поперек стыка; в – эпюры параметров

Работа системы заключается в следующем. Блок управления 3 отклоняющей системы 5, выполненной на основе электромагнита с П-образным сердечником, формирует импульсы напряжения U с длительностью 20 мс с интервалом времени 20 мс, рис. 48, в. Таким образом создается пульсирующее магнитное поле с индукцией В. Под действием поля дуга колеблется около осевой линии соединения с изменением мгновенных значений тока. При отсутствии смещения оси электрода от оси стыка (∆y = 0, рис. 48, б) интегралы F₁ и F₂ двух последовательных отклонений одинаковы, рис. 49, в. При ∆у ≠ 0 F₁ – F₂ = ∆F ≠ 0 и блок управления 2 (микроЭВМ) сравнивает мгновенные значения тока и напряжения дуги со средними значениями, измеренными в отсутствии магнитного поля, вычисляет текущие значения ∆I_св и их интегралы во время отклонения дуги отдельно вправо и влево. Вычисленная разность преобразуется в сигнал управления корректором положения сварочной головки. Ток измеряется с шунта 4.

Сканирование сварочной дугой может быть использовано для слежения при сварке неплавящимся электродом криволинейных изделий с плоскими стыками, например продольных стыков на поверхностях вращения с криволинейной образующей в вертикальной плоскости. Для сохранения заданного режима при сварке в этом случае необходимо, чтобы электрод описывал эквидистантную кривую в плоскости профиля для поддержания постоянства длины дуги. Сварочная горелка должна поворачиваться на некоторый угол, чтобы всегда быть перпендикулярной касательной к поверхности, на которую накладывается шов. При этом также должна корректироваться и скорость сварки. Схема автомата АГК-1 с такой системой показана на рис. 49.

Рис. 49. Функциональная схема автомата АГК-1 с системой слежения за профилем детали: ПК – преобразователь координат; ФС – фильтр; ДУ – датчик угла

В верхней части рисунка изображена самоходная сварочная головка с системой АРНД. При перемещении головки система АРНД отрабатывает укорочение дуги подъёмом горелки двигателем М1. Скорость подъёма зависит от скорости сварки и кривизны поверхности (α_i – угол наклона к горизонтали касательной в каждой точке поверхности). Необходимые вычисления производятся в преобразователе координат (цифровой вычислитель), в результате чего поворачивается сварочная горелка, корректируется скорость сварки и сварочный ток.

Системы слежения должны обладать определенными динамическими свойствами. Если нет резких перегибов линии шва, то перерегулирование должно быть менее 20 - 30% при времени регулировании 0,2 - 0,6 с и колебательности 0 - 2.