Использование сварочной дуги в качестве бесконтактного датчика

Датчики, основанные на использовании сварочной дуги в ка­честве измерительного преобразователя, позволяют проводить из­мерение непосредственно в точке сварки, что исключает необ­ходимость учета транспортного запаздывания, не требует разме­щения в зоне сварки каких-либо измерительных устройств, обес­печивает измерение положения соединения относительно самой сварочной ванны и дуги. Благодаря этому на точность наведения не влияют износ направляющих элементов сварочного инстру­мента, неточность правки электродной проволоки и магнитное дутье. Использование дуги в качестве датчика основано на изме­рении напряжения на дуге, сварочного тока, частоты или скваж­ности коротких замыканий при сварке плавящимся электродом.

В тех случаях, когда параметры процесса изменяются случай­ным образом, получать информацию о положении поверхности изделия значительно сложнее: необходимо не только стабилизи­ровать режим и условия сварки, но и (для достижения требуемой точности измерения) оперировать интегральной величиной сиг­нала или применять методы, основанные на анализе случайных процессов.

Использование дуги в качестве датчика системы наведения на линию соединения свариваемых элементов требует еще более слож­ной обработки информации. Для этого необходима довольно слож­ная аппаратура обработки сигналов, создание которой для ис­пользования на производстве стало реальным только после дос­тижения определенного уровня развития микроэлектронной тех­ники. Именно поэтому в последние годы возрос интерес к систе­мам наведения электрода на линию соединения с использовани­ем дуги в качестве датчика, хотя системы подобного назначения предложены давно. Необходимость развивать такие системы обусловлена также поиском средств адаптации для сварочных про­мышленных роботов, применительно к которым указанные ранее особенности использования дуги в качестве датчика имеют реша­ющее значение.

При сварке двумя электродами, расположенными поперек линии соединения (рисунок 4.37), сигналом о положении электро­дов относительно свариваемого соединения служит разность то­ков, протекающих через электроды. Такая система может быть использована при сварке стыковых швов с разделкой кромок и различных угловых швов. Недостаток системы — сложная кон­струкция сварочной горелки, достоинство — стабильный сиг­нал рассогласования при поперечном смещении сварочной го­релки.

Более широкие технологические возможности предоставляет сканирование дуги поперек стыка, которого достигают либо пе­ремещая электрод, либо отклоняя сварочную дугу магнитным полем или струей газа.

Измеряя параметры дугового процесса во времени и сопостав­ляя результаты измерений с фазой сканирования, можно полу­чить информацию о положении линии стыка при всех видах ска­нирования, а также о ширине (или сечении) разделки кромок при электромеханическом сканировании.

1 — шунты; 2 — источник питания; 3 — преобразователи; 4 — сравнивающее устройство; 5 — усилитель; 6 — исполнительный двигатель; 7 — токоподводы сварочной горелки

Рисунок 4.37 – Функциональная схема системы наведения электродов на ли­нию свариваемого соединения при двухэлектродной сварке

Применение методов гармонического анализа сигналов дугового сенсора для определения параметров и положения стыка. Задача на­ведения электрода на стык свариваемых деталей возникает при сварке крупногабаритных конструкций, когда листы свариваемых деталей на всем своем протяжении не только изменяют геометри­ческие параметры стыка, но и имеют изгибы по горизонтали. Точ­ное измерение углов разделки стыка, толщины листов, высоты разделки и величины зазора возможно только при колебании элек­трода относительно горизонтальной оси стыка, когда смещение х=0. Поэтому необходимо на определенном временном интервале измерять текущее смещение стыка и в зависимости от положения сварочной головки разрешать или запрещать измерение геометри­ческих параметров стыка.

Чтобы построить методику измерения горизонтального поло­жения сварочного стыка, необходимо для каждого стыка рассмот­реть зависимости изменения амплитуды гармоник (на частотах, кратных частоте колебаний сварочной головки) от смещения х сварочной головки относительно оси контролируемого стыка.

1. График изменения амплитуды первой синусной гармонической составляющей тока дуги А_1sin на частоте колебаний электрода имеет характер линейной зависимости от смещения х сварочной головки относительно оси контролируемого стыка (рисунок 4.38). Если величина смещения х лежит в пределах -А_к<х<А_к, то на графике появляется участок насыщения. Наклон графика к оси абсцисс зависит от углов разделки кромок α и β.

а — при номинальном угле разделки кромок α_п (соответствующая амплитуда колебаний А_κ.н); б — при α>α_н; в — при α<α_н

Рисунок 4.38 – Величина амплитуды колебаний электрода А_к в зависимости от угла разделки кромок α

2. Амплитуда синусной гармонической составляющей на утроенной частоте колебаний электрода A_3sin равна нулю при любых изменениях параметров стыков, если сварочная головка колеблется симметрично относительно оси стыка, т.е. когда х=0; A_lsin≠0 при колебаниях со смещением х (х≠0) сварочной головки отно­сительно оси контролируемого стыка в некоторой ограниченной области.

3. График изменения амплитуды косинусной гармонической со­ставляющей тока дуги A_2cos на удвоенной частоте колебаний элек­трода от смещения х стыка симметричен относительно оси орди­нат. При этом амплитуда данной составляющей при х=0 имеет максимальное значение и линейно зависит от углов разделки кро­мок (рисунок 4.39). Следовательно, выделяя эту составляющую, мож­но получить сигнал управления амплитудой А_к колебаний элект­рода при различных углах разделки кромок стыка

Рисунок 4.39 – Зависимость амплитуды первой синусной гармонической составляющей сварочного тока на частоте колебаний электрода от смещения электрода при разных углах разделки кромок α и β