Электромагнитный датчик параметров стыка сварного соединения

,5 В 23 ИЕ ИЗОБРЕТ ОП ЬСТ(21) 4226214/3 (22) 08.04.87 (46) 30. 10.88, (71) Уральский тут им. С,М, Ки (72) В.П, Мокр А.В. Кокорин, И касев Бюп. У 4политехничровацов, И,НП. Нико кий инстиЧесноков,в и Г,М. Сю ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ Н АВТОРСНОМУ СВИД(56) Авторское свидетельство СССРУ 1234101, кл. В 23 К 9/10, 1985,(54) ЭЛЕКТРОМАГНИТНЬ И ДАТЧИК ПАРАМЕТРОВ СТЫКА СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ(57) Изобретение относится к сварке,в частности к электромагнитным датчикам параметров стыка сварного соерднения, и может быть использовано дляавтоматического управления процессомдуговой сварки. Цель - повышение точности измерения ширины криволинейно 8014336 го стыка и расширение технологических возможностей, Электромагнитный датчик (ЭД) предназначен для контроля ширины зазора между кромками стыкового соединения, автоматического ведения электрода вдоль стыка, установки сварочного инструмента по высоте. Он содержит воздушный трансформатор (ВТ), выполненный из подвижной и неподвижной частей. В пределах внутреннего диаметра ВТ размещены шесть индикаторных катушек. ЭД также содержит линейные детекторы, блоки вычислений, корректоры чувствительности, запоминающее устройство и следящий привод подвижной части ВТ с датчиком щ угла поворота. Параметры стыкового соединения определяются с помощью вычислительных устройств, входных в ЭД. 2 ил.сварочного инструмента нац стыком.,сумматора 31,следящего 1 ринода 32подвижной части воздушного трансформатора, датчика 33 угла., Все индикаторные катушки 6-11 инцуктинности со=единены с входами соответствующихлинейщх детекторов 12"17. Выходылинейных детекторов 13"16 соединеныс первьпи входами соотнетстнуюших имблоков 19"22 смещения нуля выходыкоторых соединены с пернь 1 ми входамисоответствующих корректоров 23-26чувствительности,Вторые входы блоков 9 и 20 смещения нуля и корректоов 23 и 24 чунствительности ныходн 1 е сигналы которых 5 О Изобретение относится к автоматическому управлению процессом дуговой сварки и может быть использовано для автоматического регулирования пара 5 метров режима сварки н зависимости от ширины зазора м жцу кромками стыкового соединения, автоматического ведения электрода вдоль стьпса и установки сварочного инструмента по высо , те.Цепь изобретения - повышение точности измерения ширины кринолинейного стыка уменьшением методической погрешности измерения и расширение технологических возожностей датчика.На Фиг. 1 представлены конструкция датчика и его расположение над стыком; на фиг. 2 - структурная схема датчика. 20Свариваемые детали 1 и 2 (фиг,.1) образуют в стыке зазор, значение которого обозначено к Над стыком расположены неподнюкная 3 и поцнижная 4 части воздушного трансформатора, Под вижная часть содержит намагничинающую катушку 5 индуктинности, крайние индикаторные катушки 6 и 7 индуктивности,. правые 8 и 9 левые 10 и 11 сред"- ние индикаторные катушки индуктивнос" 30ти.Схема (фиг. 2) состоит из неподвижной 3 и подникной 4 частей воздушного трансформатора намагничивающей катупп(и 5 индуктиннасти, крайних индикаторных катушек 6 и 7 индуктивности.35 средних левых 10 и 11 и правых 8 и 9 индикаторных катушек индуктивности, линейных детекторов 12-17, запоминающего устройства 18, блоков 19-22 смещения нуля, корректоров 23:.26 чувствительности блоков 2 7-29 нь 1 читания вычислителя 30 нысоты оа:;положенияявляются функцией левых средних индикаторных катушек 10 и 11, соединены с выходом линейного детектора 12,преобразующего сигнал левой крайнейиндикаторной катушки 6. Аналогичнымобразом связаны вторые входы блоков 21,22, 25, 26 с выходом детектора 1.Третьи входы блоков 19-26 соединены с выходом запоминающего устройства 18, на входы которого поступаютсигналы с выходов линейных детекторов 12 и 17. Входы вь.числителя 30 высоты расположения сварочногэ инструмента над стыком соединены с выходами линейных детекторов 12 и 17 и запоминающего устройства 18.Входы сумматора 31 соединены свыходами корректоров чувствительности24 и 25, сигналы на выходах которыхпропорциональны ЭДС индикаторных катушек 10 и 9, расположенньж на концах отстающей малой стороны 02 0(фиг, 1 б) внисанного квадрата000 О в окружность, на которойразмещены центры 0,-0 6 индикаторныхкатушек индуктивности,Выходы блоков 24 и 25 (фиг.2) соединены с входами блока 28 вычитания, Входы блока 27 вычитания соединены с выходами блоков 23 и 26, т,е.сигнал на выходе блока 27 пропорционален разности ЭДС средних индикаторных катушек 8 и 11. Выходы блоков 27и 28 вычитания соединены с входами блока 29 вычитания, выход которого связанс входом следящего привода 32, имеющегомеханическую связь с подвижной частью4 воздушного трансформатора.Ротор датчика 33 угла и зубчатоеколесо 34 (Фиг. 1 а), насаженные наось 35 подвижной части 4 воздушноготрансформатора, сцеплены с зубчатымколесом редуктора следящего привода32, механические части которого неподвижным образом связаны с неподвижной частью 3 воздушного трансформатора.На Фиг. 1 б пунктирной линией изображены,следы 36 кромок стыка в случаенепараллельного расположения оси стьгка (обозначена штрихпунктирной линией со сдвоенными точками) и оси СЭподвижной части воздушного трансформатора.Расстояние В (фиг, 1) между левойи правой сторонами вписанного прямоугольника выбрано равным среднемузначению Ь ширины зазора в стыкесварного шва. Расстояние Вмежду осями крайних индикаторных катушек индуктивности выбрано равным В=(1, 2-1, 5) (В + И ), где д н - наружный диаметр индикаторных катушек индуктивности. При выборе таких значений В и В сигналы с крайних индикаторных катушек индуктивности пропорциональны только высоте Ь , Ь их расположения над деталями стыка и не зависят от зазора в стыке, а сигналы со средних индикаторных катушек индуктивности являются функцией высоты расположения их над кромками стыка и координаты кромки стыка Х, определяемой по формуле 20 еЬ = БЬ 1 Ьх + еЬо, (2) 40а на средних индикаторных катушках8-11 индуктивности наводится ЭДСе 1 = Бх + ео; (3) 45 еЬоо- еЬо БЬЬ 1е 1 + Х +С 1 ,) . 0 р+ - Ь. +с БЬ, еЬо- еЬо 12 2 50 где БЬ - чувствительность индикаторных катушек к изменению координаты Ь 3,;Ь - высота расЛоложения ь-й индикаторной катушки над кромкой стыка;еЬо - ЭДС индикаторной катушки приЬ 1.=0; где Ъ - ширина зазора стыка;В - база или расстояние междуосями средних индикаторныхкатушек индуктивности;8 - смещение оси стыка относи" 25тельно середины базы В,Устройство работает следующим образом.При протекании тока 1 е возбуждения через намагничивающую катушку 5 30(фиг, 2) создается магнитное поле,наводящее вихревые токи в свариваемых деталях 1 и 2 стыка (фиг. 1).Магнитные поля, создаваемые катушкой намагничивания и вихРевыми токами, наводят в индикаторных катушках6-11 индуктивности б ЭДСе 1. ПричемЭДС крайних катушек 6 и 7 определяется какБ - чувствительность среднихиндикаторных катушек к изменению координаты Хео - ЭДС средней индикаторнойкатушки при Х; = 0;еЬ - ЭДС индикаторных катушекпри Ь =со;с - пригеденный диаметр индикаПторной катушки.На выходе блоков смещения нуля сигнал определяется Формулойе, ееке 1 - еЬ - е еЬ + Б еЬ 1- кор еь еЬо;(5) а на выходе корректоров чувствительности сигнал определяется как еКо =Р (еЬх - еЬо) + С (еМ -еЬа) - Ке), (6)е е е е егде С , Б , Р , С , К - коэффициенты, определяемые экспериментально.Сигнал е 1 ь по формуле (6) отвечает условию смещения нуля е 1 сз. = 0 при Х;= О.(7) Сигнал е, . по формуле (7) не зази.сит от высоты Ь 1. расположения среднейиндикаторной катушки над кромкой стыка. Параметры БЬ, еЬо и еЬ, идентичны для всех индикаторных катушек индуктивности, благодаря расположениюих центров по окружности. Идентичностьэтих параметров обусловлена тем, чтовсе индикаторные катушки одинаковоудалены от.центральной оси намагничивающей катушки,Благодаря осевой симметрии магнитного поля намагничиващцей катушки,все идникаторные катушки индуктивности пронизываются одинаковыми магнитными потоками. Так как параметры еЬои БЬ крайних индикаторных катушекравны таким же параметрам среднихиндикаторных катушек, то расположениевсех индикаторных катушек индуктивности по окружности позволяет исключить методическую погрешность преобразований (5) и (6).Высокочастотные ЭДС средних индикаторных катушек преобразуются вЭДС постоянного напряжения посредством линейных детекторов 13-16 (фиг,2).Далее постоянные ЭДС с выходов линейных детекторов преобразуются вблоках 19-22 смещения нуля по формуле (5). На выходе этих блоков ЭДСеК равна нулю и не зависит от координаты Ь, если Х, = О, 11 ри Х,0ЭДС еК зависит от Ь существенно.Далее ЭДС с выходов блоков смещениянуля преобразуется в корректорах23-26 чувствительности по Формуле (6),На выходе корректоров ЭДС е, зависит только от координаты Х, и не зависит от координаты Ь,Для работы блоков смещения нуляИ корректоров чувствительности необходимы величины еЬ и еЬо, ВеличиныеЬ снимаются с линейных детекторов12 и 17, входы которых соединены скрайними индикаторными катушками.Причем с детектора 12 сигнал еЬл поступает на вторые входы блоков 19 и20 и корректоров 23 и 24, которыепреобразуют сигналы левых среднихиндикаторных катушек 10 и 11, ЭДСкоторых зависит от координаты Ьл.Сигнал ейп с детектора 17 поступаетна вторые входы блоков 21 и 22 икорректоров 25 и 26, преобразующихсигналы правых индикаторных катушек8 и 9, сигналы которых зависят отКоординаты Ьп,Величина ецио хранится в запоминающем устройстве 18, выход которогосоединен с третьими входами блоков19-26, Эта величина поступает в запоминающее устройство с выходов детекторов 12 и 17 в начале процессасварки, когда для настройки устройства устанавливаются Ьл = Ьп = О.После настройки координатам Ь задаются рабочие значения, а величина ециосохраняется неизменной во время даль"нейшей работы устройства, Работа блоков смещения нуля и корректоров чувствительности указана в прототипе.На выходе сумматора 31 формируется сигнал е Ь, пропорциональный ширине зазора в стыке Ь по Формулее Ь = 0,5(еКо 8 + е 1 со 9).На выходе вычитателя 28 формируется сигнал е 8 пропорциональный коор" динате 3, по Формулеео, = 0,5(еКо 8 + еКо 9). (8) На выходе вычитателя 27 формируется сигнал е 3, пропорциональный координате 3 по формулее 3, = 0,5(еКо 7 + еКо 10)аналогичной формуле (8). Причем вели чины е 3, и е 3 имекг разные знаки, если они образуются при повороте подвижной части 4 воздушного трансформатора относительно стыка. В этомслучае на выходе блока 29 вычитания5возникает сигнале= е 2,- е 3пропорциональный алгебраической разности е 3, и е 3, Для случая, иэобра 10 женного на фиг, 1 б,едп, = ед,+е 3,так как е 8, и е 3 имеют разные знаки.Следящий привод 32 по сигналу ошибки15 е пРиводит во вращение подвижнуючасть 4 воздушного трансформатора,стремясь свести е к нулю, т.е. дляпрямолинейных участков стыка всегда3, = 3 = О и ось всегда нормальнапродольной оси стыка, если центр 0подвижной части 4 воздушного трансформатора находится над продольнойосью стыка. Если этот центр смещается относительно оси стыка, то сигна 25 лы е ц, и е 3 будут отличаться от нуля. Причем под воздействием следящего привода ось С всегда параллельна, а ось АВ - нормальна оси стыка,следовательно, в этом случае справедЗО ливы соотношения ео,1 = (е 31;е 3 Ф О,Таким образом, по сигналу е можно определить значение и направлениесмещения оси СЭ относительно продольной оси стыка, что позволяет постро"35ить систему, отслеживающую изменениенаправления стыка.Сигнална выходе датчика 33 угла позволяет измерять направление сты 40 ка относительно неподвижной части 3воздушного трансформатора, что расширяет технологические возможности предлагаемого устройства, С учетом сигналаследящая система за направлением стыка может отрабатывать криволинейные швы.Сигналы е и еб служат для регулирования режима работы сварочной головки при изменении высоты ее расположения над стыком и (или) объемасварочной ванны, определяемого сигналом еЬ .Работа вычислителя 30 высоты расположения сварочного инструмента и55его структура приведены в,прототипе.Структуры блоков 19-22 смещения нуляи корректоров 23-26 чувствительноститакже аналогичны прототипу. Блоки27-29 вычитания могут быть построены4336 на базе операционных усилителей, а линейные детекторы 12-17 - с применением операционных усилителей. Запоминающее устройство имеет структуру известного блока выборки и запомина 5 ния. Датчйк угла 33 может быть построен на базе вращающихся трансформаторов.Техническая эффективность предлагаемого датчика заключается в уменьшении погрешности измерения параметров стыка, которая обеспечивается уменьшением методической погрешности, обусловленной неоднородностью магнит ного поля намагничивающей катушки и уменьшением погрешности измерения ширины зазора стыка за счет непрерывного отслеживания изменений направления стыка. 20За базовый объект выбран сварочный автомат, например автомат аргонодуговой сварки тина АДСВ, изготовляемый заводом РПКО "Электромеханика" города Ржева. А автомате АДСВсва рочная головка на осевой линии стыка свариваемых деталей удерживается с помощью измерительного блока БИСД, сигнал которого управляет двигателем поперечного перемещения сварочной головки. По сравнению с измерительным блоком БИСДавтомата АДСВпредлагаемый датчик, кроме слежения за осевой линией стыка, позволяет контролировать ширину зазора криволи 35 нейного стыка. Измерение ширины зазора стыка позволяет повысить качество сварки путем автоматического регулирования режимов работы сварочного автомата в зависимости от ширины зазора, что позволяет экономить сварочный материал. Формула иэ обретения Электромагнитный датчик параметров стыка сварного соединения, содержащий воздушный трансформатор, образованный намагничивающей катушкой индуктивности и расположенными в пределах внутреннего диаметра намагничивающей катушки со стороны ее торцовой поверхности средними и крайними индикаторными катушками индуктивности, оси которых параллельны оси намагничивающей катушки индуктивности, линейные детекторы, блоки смещения нуля, корректоры чувствительности, запоминающее устройство, сумматор,76бблок вычитания, вычислитель высоты расположения сварочного инструмента над стыком, причем крайние индикаторные катуики индуктивности через линей ные детекторы соединены с входами запоминающего устройства и вычислителя высоты расположения сварочного инструмента над стыком, а средние индикаторные катушки через другие линейные детекторы связаны с первыми входами соответствующих им блоков смещения нуля, выход запоминающего устройства связан с третьими входами всех блоков смещения нуля и корректоров чувствительности и с третьим входом вычислителя высоты расположения сварочного инструмента над стыком, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения ширины криволинейного стыка и расширения технологических воэможностей, в датчик дополнительно введены третья и четвертая средние индикаторные катушки индуктивности, пятый и шестой линейные детекторы, третий и четвертый блоки смещения нуля, третий и четвертый корректоры чувствительности, а также второй и третий блоки вычитания, датчик угла, следящий привод, воздушный трансформатор выполнен из неподвижной и подвижной частей, на последнейиэ которых размещены намагничивающая и индикаторные катушки индуктивности и которая жестким валом соединена с выходом следящего привода и ротором датчика угла, причем центры всех индикаторных катушек индуктивности расположены по соосной с намагничивающей катушкой индуктивности окружности, центры осей крайних индикаторных катушек индуктивности расположены на концах диаметра этой окружности, а центры осей средних индикаторных катушек индуктивности расположены по углам вписанного в эту окружность прямоугольника, короткая сторона которого параллельна диаметру, на концах которого оси крайних индикаторных катушек индуктив ности, электрически третья средняя индикаторная катушка через пятый, а четвертая средняя индикаторная катушка через шестой линейные детекторы соответственно соединены с первыми входами третьего и четвертого соответственно блоков смещения нуля, вторые входы которых подключены к выходам соответственного линейного де9 1433676 О тектора той крайней катушки индуктив- щения нуля подключены к выходу запо" ности, которая ближе к соответствен- минающего устройства, выходы третьего но третьей или четвертой средней ка- и четвертого корректоров чувствительтушке индуктивности а выходы - к пер ности подключены к входам второго5вым входам соответственно третьего блока вычитания, выход которого поди четвертого корректоров чувствитель- ключен к первому входу третьего блоности, вторые входы которых также ка вычитания, второй вход которого соответственно подключены к вторым подключен к выходу первого блока вывходам третьего и четвертого блоков 1 О читания, а выход подключен на вход смещения нуля, а третьи входы вместе следящего привода. с третьими входами всех блоков сме14336 7 б Составитель В. ГрибоваРедактор И. Касарда Техред Л.Сердюкова Корректор Л, Пилипенко Заказ 5492/13 Тираж 922 Подпис ное ВНЯЛИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5