Система автоматического управления процессом сварки

.8)детельство СССР3 К 9/10, 1983. зобретение относиточных процессов иоматизированных сотехнологических я к автоматизации ожет применяться рочных установках арочных комплекавт бот ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР А ВТОРСКОМЪГ СВИДЕТЕЛЬСТ 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 проволоки, 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. Вто 2(54) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СВАРКИ (57) Изобретение относится к автоматизации сварочных процессов и может применяться в автоматизированных сварочных у- тановках, робототехнологических сварочных комплексах, Целью изобретения является повышение качества сварного соединения посредством учета влияния изменения скоро- ти сварки на процесс формирования сварного шва. Цель достигается за счет повышения соответствия параметров модели параметрам реальной системы источник питания - дуга - сварной шов путем вве. дения в модель информации о величине скорости сварки. 1 ил,рои вход элемента 6 сравнения связанвыходом 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 сумматораО. Выход сумматора ф 10 связан с входами усилителей 11 - 13.Выходы усилителей 11 - 13 связаны соответ-ственно с входами сумматоров 4 - 16. Я Выход сумматора 14 связан с входами блока 17 модели привода подачи электродной проволоки и с входом приводапода- ф чи 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 вхоцин бр+ 1 тн Лр= Е; Т,+ 1 Тир+ 1 Т+ 1Кр р Р Т +Кш.н Т,+ 1КТ+ 1 Ку Т +1 Т+ 1 К Ко/ дами усилителей 30 - 32, Выходы усилителей 30 - 32 связаны соответственно с входами сумматоров 14 - 6.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 с сютветственно с входам и 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 ср;- 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 входами усилителей 58 - 60. Выходы усилителей 58 - 60 связаны с третьими входами сумматоров 14 в 16.Выход сумматора 15 связан с входом модели 61 привода изменения скорости сварки и приводом 2 изменения скорости сварки. 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 корректиру ющих усилителей 35 и 41. Выход сумматора 63 связан с входами блоков 64 - 67 и с входами элементов 33 и 68 5 10 15 20 25 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 - 27Выходы 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 шва. Систем а а втом атического управления процессом сварки работает следующим образом.В модели 91 моделируются процессы, протекающие при 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:где К- коэффициент питающей сети по напряжению;Яднн, Яст - динамическое и статическое сопротивление дуги;Кгт, Кгн, Кгт - коэффициенты глубиныпроплавления по току, напряжению и скорости сварки;К., Кшн, Ксо - коэффициенты ширинышва по току, напряжению и скорости сварки;Кут, Кун, К. - коэффициенты высоты усилия шва по току, напряжению и скорости сварки;Кот, Кон, Кот - коэффициенты измененияширины обратной стороны шва по току, напряжению и скорости сварки;Тнс, 6, Тн, Тв, Т - постоянные времени питающей сети, дуги, капли расплавленного металла (определяется частотой переноса капель), вылета электрода (определяется теплоемкостью вылета), сварочной ванны;К-, Квд - коэффициенты саморегулирования по току через подогрев вылета электрода и по длине вылета электрода;Ктт, Ктн - коэффициенты саморегулирования по току и напряжению;К - коэффициент изменениявылета электрода по скорости сварки.На выходах моделей формируются сигналы, пропорциональные току сварки 1 св, глубине проплавления Н, ширине шва В, высоте усиления гп и ширине обратной стороны шва и. Напряжение на дугед, ток сварки 1 с. и скорость сварки измеряются непосредственно в процессе сварки. Н, В, п 1, и 1 св и )д 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 в 3, 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 чсв, с сумматора 4 - на привод подачи электрода. Коэффициенты обратной связи, т. е. коэффициенты усилителей 11 - 13, 30 - 32, 48 - 50, 53 - 55, 58 - 60, 74 - 76 рассчитываются исходя из математи 10 20нн - К ) ЗЛ .3 + КооЛ Н+ К 55 В+ КооЛ ш+ 55 +К,оЛп+К 74 Л 1 сни подается одновременно на регулятор изменения напряжения холостого хода и модель источника питания. Здесь ЛЬ, ЛН,ческого описания модели сварочного процесса и выбранного критерия качества, В качестве критерия выбран интегральный квадратичный критерий вида1=7 х(Г 1 ) + Г ( ) К ( 1 () ) й , ()где х = 1 св,(А,Н,В,т,п) - вектор состояниясистемы источник питания в дуга сварной шов;Ь = (у,ьв,аз) - вектор управляющих переменных, компонентами которого являются напряжение хо лостого хода источника питания дуги, скорость сварки, скорость подачи электродной проволоки;Я,гг , - матрицы, накладывающие штраль на отклонения соответствующих координат состоя ния процесса отзаданных значений;Т - знак транспортирования.В результате такого синтеза обратной 30 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 (1 сн, (1, х;, Н, В, 35 гп, и) 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 В, 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.50 Сигнал управления на изменение напряжения холостого хода формируется с помощью усилителей 13, 32, 50, 55, 60 и 74 и сумматора 16 по следующему закону:ЛВ, Лгп, Лп, Л 1 св - 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= К 12 ль+ К 59 лн+ К 54 лВ+ К 49 лгп+Чв .+ КзЛп+ К 75 Л 1 сви 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+ КзвЛП+ Кт 5 Л сеи 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 проплавления, ширины шва, высоты усилия, ширины обратной стороны шва будет компенсировано с помощью обратной связи, т, Е, ИЗМЕНЕНИЕМ .) Чсв И Чвэ, т, Е. ПараМЕтрЫ 1, .Ь, Н, В, т, и 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 1.)в, тока сварки 1 св и скорости сварки ч 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 впроцессе 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 базового образца принятсварочный робототехнологический комплекс РБ, оснащенный жесткопрограммируе- сО мой системой автоматического управленияпроцессом сварки.Таким образом, применение предлагаемойсистемы позволяет повысить точность регулирования геометрических размеров сварного шва,Формула изобретенияСистема автоматического управленияпроцессом сварки по авт. св. Хф 19959, Зо отличающаяся тем, что, с целью повышенияточности регулирования геометрических размеров сварочного шва, она дополнительно снабжена четырьмя корректирующими усилителями, сумматором и узлом задания скорости сварки, причем прямой вход, сумматора 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 4 О проплавления, модели изменения ширинышва, модели изменения высоты усиления и модели изменения ширины обратной сторо.ны шва, 1620236ставитель В. Поед Л. Кравчукж и и по изобретена - 35, Раушск; инат Патент СРедактор 10. Середа ТехрЗаказ 4208 ТираВНИИПИ Государственного комитет113035, Москва, ЖПроизводственно-издательский ком ровскииКорректор О. ЦПодписное