автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоколебательные системы управления положением сварочной головки в автоматизированном процессе электродуговой сварки

На правах рукописи

Ивутин Алексей Николаевич

Автоколебательные системы управления положением сварочной головки в автоматизированном процессе электродуговой сварки

Специальность 0513 06 — Автоматизация и управление технологическими прог^ессами и производствами (промыш ¡ениость, промышленная безопасность и экология)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 2005

Работа выполнена на кафедре «Электронные вычислительные машины» в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель доктор технических тук,

профессор Карпов Вячеслав Сергеевич

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор Усенко Николай Антонович

доктор технических наук,

доцент Тупиков Николай I ригорьевич

Ведущая организация ОАО «АК «I уламашзавод»

Защита состоится «2? » июня 2005 г в _ часов на заседании

диссертационного совета Д 212 271 05 при ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» (100600, г Тула, пр Ленина, 92, 9-103)

С диссер1агц!ей можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печашо, просим направлять на имя ученого секретаря совета

Автореферат разослан « ^ ^ » мая 2005 г

Ученый секретарь диссертационного совета

В М Панарин

Актуальность работы. В настоящее время в промышленности сварка является самым распространенным типом соединения материалов Сварочное производство развивается бурными темпами, в ряде случаев превосходящими темпы рос1а дру1их процессов мешллообработки Ведущее место в сварочном производстве по-прежнему занимает дуговая сварка, которая и в ближайшем будущем останется основным видом сварки плавлением, а эле ироду го вая сварка в среде защич ных газов или под флюсом является одной из наиболее широко используемых Такое положение дуговой сварки объясняется высокой концентрацией тепловой энергии универсальностью процесса, возможностью сварки в различных условиях и положениях, надежностью и относительно низкой стоимосгыо оборудования, стабильностью прочностных характеристик сварных соединений, сравнительной простотой механизации процесса дуговой сварки

Однако до сих пор значительная часть сварочных работ выполняется вручную Автоматизация сдерживается отсутствием точных и надежных датчиков параметров стыка и сварочного процесса, но и в этом случае возможна лишь при условии качественной разделки швов и высокой точности позиционирования деталей но о! ношению к сварочному механизму, достигаемой за счет непрерывного совмещения оси горелки с центром углового стыка для получения качественного соединения

Современным направлением автоматизации сварочных процессов является использование сварочных роботов Конечной целью создания и применения сварочных роботов является повышение производит ел ьносги труда и качества продукции Суммарная технико-экономическая эффективность применения сварочных роботов включает повышение качества сварного соединения, социально-экономический эффект, экономию фонда заработной платы Социально-экономический эффект достигается за счет освобождения человека от монотонной утомительной работы, исключения травм, забочеваний Робот может эксплуатироваться в условиях вредной для здоровья человека среды (радиоактивной химически активной, токсичной и т д ) Перечисленные факторы с трудом ноддаю1ся количественной оценке, однако преуменьшать их значимое1ь недопустимо

В то же время применение промышленных роботов для автоматизации процессов дуговой сварки выдвигает ряд задач по организации производственного процесса, конструированию роботов с учетом специфики сварочного произволе пи и, в первую очередь, созданию систем '/правления, обеспечивающих заданную точность и качество сварных соединений Отклонение геометрических параметров свариваемых деталей и нарушение их пространственной ориентации затрудняют использование сварочных роботов, работающих по жесткой программе Так, допустимый разброс точек сварки возможен лишь при условии, что отклонение размеров детали и погрешности ее ориентации не превосходят ошибок позиционирования робота Рели погрешность геометрических параметров свариваемой детали превышает некоторый предел, обусловленный допуском на размещение сварных точек и допустимым процентом брака, то применение роботов с жестким управ юнием становится нецелесообразным из-за низкого качества получаемого соединения Возникает необходх ютах более

совершенных систем управления, которые могли бы обеспечить сварку используя текущую информацию о каждой детали по параметрам, определяющим условия и качество процесса сварки Информация об изменении характеристик детали вводится в систему с помощью датчиков Однако существующие в настоящее время механические, оптические, тепловые и другие датчики в реальных условиях фактически не используются из-за наличия и зоне сварки большого количества побочных факторов, выводящих их из строя Для решения задачи автоматизации технологическою процесса сварки необходимо применение совершенно новых подходов к получению информации о геометрических параметрах и положении стыка

Одним из перспективных направлений развития систем управления процессом сварки является использование в качестве источника информации о теометрических шрамеграх стыка гармонических сос1ав;1Яющих сварочного тока В го же время применяемые в насюящее время системы позиционирования сварочной головки относительно шва на основе анализа гармонических составляющих сварочною тока испсньзуют в качестве источника колебании ди формирования качес!вснного шва внешний генератор Основными их недостатками являются фиксированная частота внешнего 1енератора, что не позвозяез 1аким системам бо iee быстро и качественно подстраивайся под параметры детали, и наличие дополнительных блоков, усложняющих конструкцию системы

Таким образом, совершенствование качества систем управления процессом сварки и повышение надежности их работы по-прежнему является актуальной задачей

Цельго диссертационной работы является повышение качества сварных соединений путем создания автоколебательных систем управления положением сварочной тювки, позволяющих иекзючить использование внешних генераюров колебаний электрода, применяемых для формирования качественного шва и тем самым улучшить динамику и надежность работы автоматизированного сварочного оборудования

Для достижения указанной цели были поставлены и решены слсдмондие

задачи

- исс тедование возможности возникновения автоколебаний в системе управления положением сварочной головки и их использования д.тя генерации козебаний сварочного электрода,

- выбор методов сишеза автколебатсльной системы автоматически о управления потожепием сварочной головки и ее исследования,

- разработка структуры автоколебательной системы автоматического управления пространственным положением сварочной головки и методики синтеза ее параметров

- оценка возможности применения автоколебательной системы для сварки различных типов стыков,

- оценка возм\шений действующих па систему управления в процессе сварки, и исс ¡едование динамики ее работы в реатьных устовиях

•i1 - . , W Ы

- определение основных требований к современным АСУ ТП процессом сварки и реализация разработанных алгоритмов управления средствами цифровой техники

Автор защищает:

- методику синтеза и анализа систем управления процессом сварки, основанную на применении метода фазового годографа и позволяющую осуществлять построение таких сшлем без использования внешних генераторов колебаний электрода,

- структуру автоматической системы управления положением сварочного электрода автоколебания которой используются для поперечного перемещения электрода, обеспечивающую более высокую точность и надежность работы по сравнению с известными разработками;

- сгр\ ктуру автоколебательной системы управления положением сварочного электрода с адаптацией к параметрам кромок стыка которая обеспечивает высокое качество шва при значительном изменении технологических параметров стыка,

- обобщенную классификацию и математическое описание основных возмущающих факюров, действующих на систему управления элешродуговой сваркой в реальных условиях,

методику оценки предельных значений кривизны стыка для автоматических систем управления положением сварочной головки, позволяющую на основе однократною моделирования реакции системы на заданное возмещающее воздействие определять допустимые параметры кривизны свариваемых изделий;

техническую реализацию автоматической системы управления положением сварочного электрода

Методы исследования. Решение поставленных в работе задач по разработке систем автоматического управления процессом электродуговой сварки базируется па использовании методов теории автоматического управления, 1армонического анализа, теории филырации сигналов, теории цифровой обработки сшналов, численного анализа, методах теории математического моделирования

Достоверность и 1ффективность разработанной системы подтверждается методами компьютерного моделирования, экспериментальными исследованиями и опытно-промышленными испытаниями в производственных условиях

Научная новизна работы сосюит в создании нового подхода к проектированию систем управления положением сварочной готовки, в которых для реализации поперечных колебаний электрода, применяемых для формирования качественного шва, используются автоколебания системы

Основные резульпиы, определяющие научную новизну

- разработана методика синтеза автоколебательных систем управления положением сварочной головки, основанная на применении для их расчетов метода фазового годографа и позволяющая улучшить динамические характеристики существующих систем.

- предложены структуры систем управления положением сварочной головки, в которых колебания электрода создаются автоко гебателыгым контуром,

замкнутым но первой гармонике тока сварки и отличающиеся от существующих более высокой надежностью и качеством работы,

- осуществлен комплексный анализ возмущений, действующих на систему управления в процессе сварки, позволивший произвести аппроксимацию помех, влияющих на качество работы системы управления,

- разработана методика оценки предельных значений кривизны стыка для автоматических систем управления положением сварочной головки, позво,шошая определять допустимые параметры кривизны свариваемых изделий, основываясь на результатах моделирования реакции сшнемы на заданное возмущающее воздействие

Практическая ценное i ь выполненных исследований определяется следующими результатами

- даны рекомендации для синтеза систем управления положением сварочной головки, обеспечивающих высокую надежность и требуемое качество формирования сварного соединения Применение предложенных систем дает возможность повысить производительность сварочного оборудования и обеспечить экономию энергии и сварочных материалов за счет исключения дополнительной сварки непроваренных швов,

- предложен подход к линеаризации системы управления сварочным электродом по полезном} сигналу, позволяющий обеспечть полный учет нелинейное гей системы управления и получть достоверные результат исследований,

- предложенные схемы систем управления просты в реализации и могут использоваться при электродуювой сварке в среде защитных газов и иод флюсом

- определены требования и даны рекомендации для построения систем управления процессом сварки на цифровой технике,

разрабошю атгоритмическос и программное обеспечение микропроцессорных систем позволяющее эффекшвно управ 1ягь процессом формирования сварною соединения

Реализация результатов работы. Предложенная в диссертации методика автоматизации процесса сварки легла в основу реализованных в ОАО «АК «Туламашзавод» цифровых систем автоматического управления сварочным процессом Для SCADA-системы TRACE MODE разработаны Р1Ю-диа1раммы управления положением сварочной головки Разработано аппаратно-программное обеспечение для автоматизированного управления технологическим процессом электродуговой сварки в среде защитных газов и под флюсом

Разработанная методика синтеза автоколебательных систем управления внедрена также в учебный процесс кафедры ЭВМ при реализации курса «Основы теории управления» и дипломном проектировании бакалавров и инженеров по специальностям 230101 «Вычислительные машины, комаюксы, системы и сети», 140610 «Электрооборудование и электрохозяйство организаций, предприятий и учреждений», 090105 «Комплексное обеспечение информационной безопасности автоматических систем»»

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на

- XVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-16». г Росюв-на-Дону, РГАСХМ, 2003,

- IX Всероссийской научно- 1ехнической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве», г. Нижний Новгород, МВВО АТН РФ, 2003,

- IV Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в соединении материалов», г Тула, ТулГУ, 2003,

- X Международной научно-практической конференции «Современные техника и тсхнолот ии С ГТ'2004», г Томск, ПТУ. 2004

- I Всероссийской научно-технической конференции «Идеи молодых — новой России», г Тула. ТулГУ, 2004 г. (диплом лауреата 2 степени),

Публикации. По 1сме диссертации опубликовано 12 работ, среди которых 1 патент на изобретение

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5 разделов, выводов по результатам работы, списка литературы из 75 наименований Работа изложена на 161 странице машинописного текста, включает 51 рисунок, 5 таблиц и 5 приложений

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель диссертационной работы, приведены основные результаты, определяющие ее научную новизну и практическую ценность

В нервом разделе приводится обзор современных устройств для ашоматического управления прострапс гвенным положением сварочной головки Отмечено, что наиболее распространенными на сегодняшний день являются сварочные робош, выполняющие сварку деталей по заранее заданной программе Показано, что, несмотря на неоспоримые преимущества (относительную простоту реализации и обслуживания, дешевизну), такие роботы имеют существенные недостатки Главными из них являются невозможность самостоятельного отслеживания сварною сгыка и минимальные способности к корректировке процесса сварки в зависимости 01 его параметров

В настоящее время проблеме автоматизации дуговой сварки посвящено дос ип очно много работ, среди которых наиболее извесшыми являются исследования Б Е Штона, В И Дятлова, И Я Рабиновича, В К Лебедева, К К Хренова, Э А Гладкова, Н С Львова Отмечается, что для отслеживания положения электрода в процессе сварки необходимо использование специальных датчиков Проведенный обзор существующих датчиков положения электрода относительно стыка показал, что все они обладают низкой помехозащищенностью и не позволяют проектировать надежные и высокоточные системы управления процессом сварки

Показано, что наиболее перспективным подходом к созданию систем управления сварочным процессом является получение информации о положении

электрода относительно стыка на основе анализа тока и напряжения сварки В этом случае роль датчика играет сама электрическая дуга (>гмечено. что, несмотря на простоту реализации, измерение параметров дуги в фиксированных крайних точках колебаний электрода не позволяет получигь высо кока чес [ венные сварные соединения из-за низкой помехоустойчивости Для систем управления положением сварочной гочовки, в которых операции слежения по стыку и коррекции амплитуды колебаний в зависимости от ширины разделки кромок совмещены и выполняются одним приводом, наличие помех в измерениях оказывает значительное втиянис на качество слежения и стабильность автоколеба1ельного процесса

Делается вывод, что задача проектирования систем управления пространственным положением сварочной холовки является актуальной Для поехроения таких еис!ем наиболее ххелесообразно использовав метод гармонического анализа сварочного тока и напряжения примененный, в частности, в работах профессоров В М Панарина, В М Мазурова, В С Карпова Делается предположение, что замена внешних генераторов поперечных колебании электрода авхоколебаххиями позволих улучшить динамические характеристики проектируемых систем управления положением сварочной головки

Во втором разделе проводится исследование авхоколебательной системы управления положением сварочного электрода В работе обоснован переход от внешнего модуляюра поперечных колебаний фиксированной час ют ы к авхоколебательной системе управления, где при па хичии возмущений проявляются способности к автоподстройке частоты автоколебаний, что дасх возможность повысить точность слежения, а, следовательно, и улучшить качество сварною соединения.

В результате анализа известных математических моделей электрической части сварочных процессов рекомендовано использовав модель, предложенную профессором В А Судником, связывающую сварочный хок ¡с и длину ду гового промежутка / (1), у читывающую в.хияние значений углов разделки кромок, частоты и амплитуды поперечных колебаний электрода на параметры тока и напряжения Данная модель отражает динамические процессы, протекающие в источнике питания и электрической дуге при отклонениях сварочной головки относительно стыка, и может быть представлена в виде

где Л) — величина вылета электрода, мм, I — расстояние между токоподводом и изделием, мм, х — смещение оси сканирования электрода от цешра стыка, мм го — \т ловая частота колебаний электрода, с"1,1с. — сварочный ток, А. аир — >х хы разделки кромок — постоянная составляющая сварочного тока. А

Анализ существующих методов расчета автоколебательных ре гейпых систем управления показал, что из всех известных методов анализа и синтеза таки\ систем наиболее приемлемым является метод фазового годографа, разработанный профессором Н В Фалдипым, который позволяет максимально учесть нелинейности системы

(1)

На основе проведенною анализа установлено, что наиболее целесообразным для исследования возможности возникновения автоколебаний контуром в системе является контур управления по положению электрода, поскольку он использует основную гармонику сварочного юка для выделения полезной информации. В диссер1ации сделан вывод, что генерация автоколебаний в нем может обеспечить наименьшие затраты, связанные с корректировкой частоты колебаний и сопряжением контуров. Схема исследования кот ура по методу фазового годографа приведена па рис !

Рис 1 Схема получения ñ-характеристики цепи управления сварочным электродом

Посредством цифрового моделирования были получены ^-характеристики системы управления (рис 2) В результате исследований установлено, что для релейного элемеота без гистерезиса частота возникновения автоколебаний состав.мет ~4,6 Гц, что находится в пределах рабочих частот системы управления с вынужденными колебаниями и указывает на возможность возникновения в системе устойчивых автоколебаний в рабочем диапазоне частот

1 1 i i« Рис 2 R-характеристики цепи упратения сварочным электродом

Исследование системы в широком диапазоне частот показало также возможность возникновения высокочастотных автоколебаний Для устранения нежелательных колебаний предложено осуществлять коррекцию фазового годографа системы, которая проводится включением в местную отрицательную обратную связь релейного элемента комбинации линейных звеньев В этом случае рез) льтирующая R-характеристика каждого из компонентов системы находится как i еометрическая сумма исходной характеристики и суммы /¿-характеристик введенных корректирующих звеньев При известных Я-характеристиках типовых

звеньев обеспечение требуемых условий существования автоколебаний решается подбором комбинации звеньев и их параметров

В виду отсутствия методов, позволяющих автоматизировать процесс выбора корректирующих звеньев, использовался метод подбора шшвых звеньев для требуемых параметров коррекции Полученное коррею ирующее звено, включенное в обратную связь релейного элемента, состоит т двух колебатс гьпых звеньев второю порядка (2)

ц/ = _4р+2____100£+1 _ „

**' рг +12/7 + 37 рг + 120^ + 3601 Скоррекшрованные Я-характерисгики приведены на рис 3

\

/

Рис 3 Скоррсггиро1занные К характеристики цепи управления сварочным этектродсч

В результате проведенною исследования предложена автоколебательная система слежения по стыку, в которой колебания электрода создаются автоколебательным контуром, замкнутым по основной гармонике гока сварки Структурная схема разработанной системы представлена на рис 4,1де обозначено Ш — шунт. БАГС — блок анализа гармонических составляющих СГ — сварочная головка. УС1, УС2 — усилители. КЧА — уаройство коррекции часюты автоколебаний. ГКЭ — генератор колебаний электрода, ПР1, 11Р2 — приводы Данная структура защищена патентом на изобретение

Рис 4 Струк1урная схема лвтоколебате-шюй системы слежения по стыку свариваемых кромск

Математическое описание такой системы с учетом использования модели электрической части сварочного процесса (1) можно представить в виде

где Т^, Тзг.фс, к„ф, — параметры полосового фильтра БАГС, Тф, ксфх — параметры сглаживающего фильтра БАГС, Т^а, Тгкча, кКча — параметры корректирующих звеньев КЧА; ккар,. ктр2 — коэффициенты усилителей УС1, УС2, Ар, — амплитудное значение релейного элемента, 7„р, кпр — параметры приводов

Проведенное моделирование спроектированной системы показало, что система достаточно качественно отрабатывает типовые воздействия и при этом находится в автоколебательном режиме

В работе исследована возможность линеаризации системы управтения Делается вывод, что наиболее рациональным подходом к решению данной задачи явтается использование численно-аналитическою метода, основанною на нахождении решения сисюмы уравнений в вариациях, разработанного в рамках метода фазового годографа Применение этой меюдики позволяв! произвести замену не только релейного элемента, но и других нелинейных характеристик эквивалентными коэффициентами передачи вычисленными с использованием понятия фазового годографа релейной системы

В третьем разделе рассмафивается задача проектирования двухконтурной автоколебательной системы управления положением сварочной головки и гола1 ается методика синтеза ее параметров и структуры Показано, что коррекция амплитуды колебаний в зависимости от ширины стыка позволяет повысить качество получаемых сварных соединений при незначительном усложнении самой системы управления Коррекция амплитуды колебаний осуществляется на основе анализа гармонической составляющей сварочного тока удвоенной частоты

Доказано, что для установившегося режима работы, значения которого используются для фиксации точек фазового годографа, процесс построения фазового годографа для двухконтурной системы управтения положением сварочной головки не будет отличаться от такового для одноконтурной системы Это позволяет избежать построения фазовою годо1рафа для двухконтурной системы, ограничившись ранее полученными данными (раздел 2)

" ^/О п, >

Разработанная на основе такого подхода система управления состоит ш двух каналов (рис 5), один из которых обеспечивает совмещение сварочной головки с серединой ешка Схемное решение этого канала не отличается о! ранее рассмотренного (рис 4) Другой канал управления производит коррекцию амплитуды колебаний электрода в зависимости 01 ширины разделки кромок и содержит БАГ С-А — блок анализа гармонических составляющих, настроенный на удвоенную час юту колебаний электрода и БСА — блок сглаживания амплитуды Номинальное значение амплитуды колебаний устанавливается уровнем опорного напряжения ис„

Рис 5 Гтр> ктурная схема аптгкотсбатетььпй системы слежения по стыку свариваемых громок с коррекцией амплитуды колебаний электрода

Для математическою описания такой системы в дополнение к выражениям П) добавлены зависимости, отражающие поведение контура коррекции амплитуды колебаний (4)

<й

1

<Ю.

1ч фА _

Л

ш,

11пфА *2*фА

Т\лфА ТъпфЛ |\

~~ Т .7* * * 3 щл '1 гкфл

л

-и.

сф1Л

)-

сф\Л .

Л

сф1Л 1ф1л

и -2!*гл..(т] -и

исфгл т (у от ис4 'сфйл

и.

\_ сфГ* </ Т

гф2Л

(4)

<Л

итл-^

л

=и.

где Т1пфА, Т^, к„ф4 — параметры полосового фильтра БАГС-А, Тсф4, ксф4, ТА, кА — параметры сглаживающих фильтров БАГС-А и БСА

В диссертации разработана методика синтеза автоколебательных систем управления положением сварочной головки, основанная на применении для инженерных расчетов метода фазового I одографа. Она включает следующие этапы Этап I Исследования адекватности модели

Этап 2 Построение фазового годографа одноконтурной релейной системы и определение условий существования автоколебаний в системе

Этап 3 Коррекция частоты автоколебаний посредством введения корректирующих звеньев в случае, если частота или параметры автоколебаний не соответствуют требуемым

Этап 4 Линеаризация системы ири необходимости ее детальною исследования с использованием линеаризованной модели и, при необходимости, введение дополнительных корректирующих устройств с испольювапием теории синтеза линейных систем

Этап 5 Проектирование одноконтурной системы управления и оценка качества ее функционирования

Этап 6 Построение двухконтурной системы управтения Этап 7 Оценка качества функционирования, двухконтурной системы Этап 8 Синтез цифровой системы управления на основе аналогового варианта, заключающийся в выборе анпарашо-программной ша1формы для реализации в преобразовании аналоговых элементов в дискретную форму и определении частоты дискретизации

Проведенные исследования показывают, что автоколебагетьная система управления, спроецированная но разработанной методике, обеспечивает меньшее перерегулирование по контуру управления положением электрода, чем известные системы Особенно значительно это при вменении углов разделки (1 колебание против 5 у системы с внешней модуляцией и величина перерегулирования и5% против »36%) Существенно повышается также и качество управления амплитудой поперечных колебаний Время переходною процесса в контуре управления амплитудой поперечных колебаний автоколебательной системы, по сравнению с системой с внешней модуляцией, уменьшается примерно на 30% (оценка времени переходного процесса производится ири задании точности в 10%)

В работе детается вывод, что спроектированная автоколебательная система управления положением сварочного электрода улучшает динамические характеристики системы управления с внешней модуляцией, а, следовательно, и позволяет повыешь качество получаемых сварных соединений

Четвео1ЫЙ раздел посвящен моделированию работы автоколебательной системы управления сварочной головкой с учетом реальных условий эксплуатации Показано, что к основным факторам, влияющим на потерю качества, относятся отклонение траектории электрода от фактического положения линии сварного соединения и геометрических параметров стыка от номинальных значений Уменьшение влияния этих факторов только повышением требований к заготовительным операциям и оснастке экономически нецелесообразно

Отмечено, что появление дефектов при дуговой сварке непосредственно связано с влиянием на процесс большою котичесша факторов конструктивных, технологических и эксплуатационных В работе предложена обобщенная классификация таких факторов с разде тешем ик на чешре основные группы по параметрам режима, геометрии сварного соединения, состоянию сварочных ма1ериалов и гю расположению сварочной головки относительно соединения

В работе предложено для моделирования криволинейных стыков использовать синусоидальный сигнал с соответствующими параметрами частоты и амплитуды В этом случае для определения возможности сварки системой

управления криволинейных стыков разработана инженерная методика расчета

основанная на нахождении радиуса кривизны для стыка и синусоиды,

используемой в модели стыка Система управления способна отрабатывать

криволинейный стык, если выпо.шлется условие (5)

Л<>Л„ (5)

Т2 а2

где Л, = — ,Т — период синусоиды, А — амплитуда синусоиды, - — 4А Ь

'4ь 1 /Г^ТТУ

- + -,— — -8А I .еслиА<— 3 V я

3 ЗУ я- I Зя

— длина изделия, Ь — величина прогиба

'■Л 1 (124 „Л

---—" -86 еслиЬ>

3 31 г ) Зя

Анализ результатов моделирования показал, что система не способна обеспечить приемлемое качество соединения при сварке деталей с угловыми изгибами линии стыка, поскольку в этом случае возникают пенровары

Для моделирования работы автоколебательной системы управления сварочной головкой с учетом реальных условий предложена математическая модель, учитывающая основные, неустранимые воздействия При этом воздействия были разделены и по их источнику происхождения, те локализован элемеш структуры, 1де данное воздействие проявляется Это позволило, в частности, получить некоррелированные параметры для моделирования. Математическая модель возмущений включает'

- приводы, в которых в качестве основной причины неточностей выделено наличие шофта,

- стык где из множества параметров были выделены углы разделки и смещение центра стыка, определяющиеся технологией подготовки сварочных кромок,

- дуга, где главным источником помех являются периодические короткие замыкания дугового промежутка, возникающие из-за процесса капле переноса,

- контур управления, в котором помехи дает датчик Помехи (или неточности), выдаваемые датчиком наряду с полезным сш налом, относятся к классу теплового шума, определяемою равномерным распределением, симметричным относительно нулевой отметки.

Согласно рассмотренным типам возмущений было произведено моделирование работы автоколебательной системы управления положением сварочного электрода (рис 6) Анализ полученных результатов показал, что общая погрешность при работе системы не превышает 10% что является допустимой погрешностью для технических систем. а в среднем ошибка позиционирования не превышает 5% Перерегулирование составляет не более 12%

—••---

•Ч__—

Реакция контура управления по Ч положению

! <

Рис 6 Робела контуров упрощения системы мри м<мглировании реальных условии рабшы

Обобщая результаты исследования детается вывод, что разработанная автоколебательная система управления положением сварочной головки позволяет обеспечить высокое качество сварных соединений

В пятом разделе рассматриваются вопросы технической реализации предложенной системы управления положением сварочной головки и разработки программного обеспечения.

В соответствии с проведегашми исследованиями показано, что современные тенденции развития автоматизации производства диктуют применение АСУ ТГ1 в сварочном производстве 11ри этом выдвигаются требования полной автоматизации управления процессом сварки, включая процесс документирования, а также интехрацию таких систем в автомашзированные системы управления более высокого vpoвня Используемые в таких системах контроллеры дотжны отвечать требованиям быстродействия надежности, универсальности и иметь один или несколько высокоскоростных интерфейсов ввода-вывода В диссертации была предложена двухуровневая реализация системы управления процессом сварки, структурно представленная на рис. 7

/

О-

ипд

Автоматизированное рабочее место

Рис 1 Обшая структура АСУ процессом сварки

В диссертации разработан алгоритм цифровой фильтрации сварочного тока, основанный на применении метода Р Богнера и Л Консгантинидиса д.тя синтеза цифровых фильтров по таблицам аналоговых фильтров, заданных в плоскости р Полосовые фильтры, используемые для выделения гармоник тока сварки, описываю гея соотношением (б)

у(1> = 1т т кит

(А.ф11пф1с '*1ыф1<: + 'г«ф1с + 1) + (*а-ТифТ2„фк2-2а 7;,/-2«-Гг„/)у(г-3) + (2-2 Т]пфГифкг-4а2 Ти/2„фк2)* (б) хХг-2) + (4а Т1лфТ2,фк1 + 2а-Тифкг+2а Тифкг)у(1-1) + кгфк хЦ)-2а кпфк-х(1~ 1) +

со/Г V]

где « = 4 { , ыа^^У), Т — период

W{p) = t - г — al, в цифровой форме имеют вид'

дискретизации

Сглаживающие филыры представлены как

тле к = -tg^

Корректирующие звенья, в общем виде представленные как

_Ср+П_ (p + a? + ß'

р\(Х Л" р )

X(l-e^ cos{ßT))x(t-l) + ß D-{e™ -г~"тсо4ßT%x(t-2)] + 2г'а7 cos(ßT)-y{t -1)- (8) -e 2)

В качестве платформы для реализации АСУ сварочным процессом использована SCADA-сиетема TRACE MODE Управляющий модуль системы реализован на промышленном контроллере ICP DAS 1-8410 с платами расширения Контроллер соединен с автоматизированным рабочим местом, оборудованным на базе стандартного персонального компьютера, с помощью последовательного высокоскоростного интерфейса RS-485. обеспечивающего скорость передачи данных до 10000 кбит/с и максимальную дальность передачи данных до 1200 метров Для обмена данными с консолью оператора используется протокол М-LINK

Программное обеспечение автоматической системы управления состоит из микропрограммы управления промышленным контроллером и консоли оператора Микропрограммы управления контроллером используют оригинальные FBD-модули, реализующие предложенные алгоритмы цифровой фильтрации Интерфейс операторской станции состоит из двух экранов наблюдения за ходом технологического процесса с возможностью переключения между ними Первый позволяет наблюдать за отклонениями сварочной головки от центра стыка и

амплитудой поперечных когебаний (рис 8а) Второй предназначен для вывода данных о величине сварочных тока и напряжения, пост} пающих в систем) управления Кроме того, для операторской станции реализована возможность просмофа 01чега тревог и архива проект с информацией об изменениях значений регулируемых величин (рис 86) Открытый программный интерфейс позволяет импортировать данные во внешние приложения для последующей обработки и систематизации Все это позво.иет быстро и удобно создавать паспорт гехноло1Ическою процесса

<{1 м I

б)

Рис 8 Экран консоли диспетчера упрарления сварочным процессом (а) и архив параметров гехноюгическога процесса электролуговой сварки<б;

Разработанная в диссертации автоколебательная система автоматического управления пространственным положением сварочной головки прошла промышленные испытания на ОАО «АК «Туламашзавод» (1 Т>ла) (рис 9) Испытания подтвердили работоспособность и эффективность предложенных

способов управления процессом прилагается к диссертации)

э лек гро дуговой сварки (акт испытаний

Рис 9 Автоматическая система)правления поюжением сварочного злектола

Разработанные меюдика синтеза автоколеба1ельных систем управления положением сварочной головки и система автоматическою управления положением сварочной готовки внедрены на ОАО «АК «Туламашзавод» в I квартале 2005 1 ири проектировании и автоматизации специализированных сварочных установок (акт внедрения прилагается к диссертации)

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 Проведен анализ существующих структур сис1ем управления положением сварочной головки, использующих сварочный ток и напряжение в качестве источника информации о положении сварочной головки Отмечена целесообразное^ использования для этих целей шрмонических сосшвлиющих сварочного тока

2 Показана возможность возникновения автоколебаний в системах, использующих гармонические составляющие сварочного тока для получения информации о параметрах стыка Отмечено, чш они могут быть использованы в качестве источника колебаний задающей часюты при управлении движением электрода

3 Предложены структуры систем управления положением сварочной головки, в которых колебания электрода создаются автоколебательным контуром, замкну гым по первой гармонике тока сварки Показано, что такие системы имеют лучшие динамические характеристики но сравнению с системами, использующими внешний генератор задающей частоты

4 Предложен подход к линеаризации системы управления сварочным электродом но полезному сигналу, позволяющий обеспечить полный учет нелинейностей системы управления и получить достоверные результаты исследований

5. Разработана методика синтеза автоколебательных систем управления положением сиарочной головки, основаншя на применения меюда фазового годографа для определения условий существования автоколебаний и возможной коррекции их параметров и предусматривающая использование имитационно], о моделирования для дальнейшего исследования параметров проецируемой системы

б Разработана методика оценки предельных значений кривизны стыка для автоматических систем управления положением сварочной головки, позволяющая формулировать требования к форме стыков на основе однократного моделирования реакции системы управления на заданное возмущающее воздействие

7. Осуществлен комплексный анализ возмущений, действующих на систему управления в процессе сварки Выделены основные помечи, влияющие на качество работы системы, представленные в виде математической модели возмущений

8 На основе имитационного моделирования условий эксплуатации системы, базирующеюся на разрабошнной математической модели возмущений, действующих на систему управления в процессе сварки, проведено исследование сс работоспособности Показано, что система управления отвечает требованиям по

качеству работы предъявляемым при управлении реальными сварочными процессами,

9 Даны рекомендации по реализации системы в составе АСУ 1ехноло1 ическим процессом элеюродуговой сварки Предложена реализация разработанных алгоритмов управления средствами SCADA-системы TRACE MODE

10 На базе промышленного контроллера ICP DAS 1-8410 разработана и внедрена цифровая автоколебательная система управления положением сварочной головки, испытания которой показали, что система способна обеспечить качество сварного соединения, соответствующее требованиям нормативных документов

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В

РАБОТАХ.

1 Ивутин А Н , Карпов В С , Лебеденко Ю И Исследование автоколебаний в много контурной системе управления сварочным электродом // Сборник материалов международной научно-гехнической конференции «Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-16» —Ростов-та-Дону Изд РГАСХМ, 2003 — Т6..С. 167-169

2 Ивутин АН Исследование автоколебаний в системе управления положением сварочного электрода // Сборник материалов 9-й всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» — Нижний Новгород Изд МВВО АГП РФ, 2003 — С 62

3 Ивутин А Н , Карпов В С , Лебеденко Ю И Линеаризация релейных систем с кусочно-линейным объектом управления методом фазового годографа на примере автоколебательной системы управления положением сварочного электрода // Сборник материалов XXIII российской школы по проблемам науки и гехнолошй — Екагеринбур! УрО РАН, 2003 —С 349-351

4 Ивутин А Н , Карпов В С , Лебеденко Ю И Автоколебательная система управления положением сварочного электрода И Тезисы докладов 4-й Всероссийской научно-технической конференции (с международным участием) «Компьютерные технологии в соединении материалов» — '1 \ ла ТулГУ, 2003. — С 115-116

5 Ивутин А Н , Карпов В С , Лебеденко IO И Синтез информационно-управляющих систем для процессов сварки // Сборник ма!ериалов межрегиональной научно-гехнической конференции «Интеллектуальные и информационные системы Интеллект-2003» — Тула Изд ТулГУ, 2003 — С 34-36

6 Ивутин А Н, Карпов В С, Лебеденко Ю И Линеаризация автоколебательной системы управления положением сварочнош электрода методом фазового годографа // «Известия ТулГУ» Серия «Вычислительная техника Информационные технологии Системы управления», Том 1 Выпуск 2 Вычислительная техника — Тула Изд Ту тГУ, 2003 — С 49-56

2006-4 9542

7 Ив>тин ЛИ, Карпов ВС. Лебсдешо ЮИ Проектирование автоколебательной системы управления положением сварочного электрода методом фазового годографа // «Известия ТулГУ» Серия «Вычислительная техника Информационные технологии Системы управления», Том 1 Вып\ск 2 Вычислительная техника — Тула Ичд ТулГУ, 2003 — С 57-62

8 Ивутин А Н Автоколебательная система управления положением сварочного электрода на основе анализа гармонических составляющих тока сварки // Идеи молодых — новой России. Сб тез док 1-й Всероссийск научно-течн конф студ иасп 24-26марта 2004 г — Тула Изд ТулГУ, 2004 —С ¡77

9 Ivutm AN, Lebedenko Yul Aulooscillations System for Welding Electrode Control Based on Analysis of Welding Current Harmonic Components // The tenth Jubilee Scientific and Practical Conference of Students, Postgraduates and Young Scientists "Modern Techniques and Technologies" (.МТ'Г 2004), Tomsk, Tomsk PoKteehmc University, 2004 — P 101-102

10 Ивушн AII, Карпов В С , Лебедснко Ю И Методика синтеза цифровой двучкоптчрной системы управления по южепием сварочного эчектрода // Известия ТулГУ Серия Вычислительная техника Информационные технологии Системы управления 1 1 Вып 3 Вычислительная техника — Тула Изд ТулГУ, 2004 —

11 Ивутин А Н Компьютерное моделирование влияния внешних возмущений на систему- управления положением сварочного электрода // Известия ТулГУ Серия Вычислительная техника Информационные технологии Системы управления Т 1 Вып 3 Вычислительная техника — Тута' Изд ТулГУ, 2004 — С 161-166

12 Ивутин АН, Карпов ВС, Панарин ВМ, Лебеденко ЮИ Способ автоматического управления положением электросварочной горелки и устройство для его осуществления Заявка па и ¡обретение № 2004116782/02(018062) от 02 06 2004 г Положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение от 06 05 2005 г

И и лиц ЛН № 020300 от 12.02.97 Подписано п печать Формат бумаги 60x84 '/,» Бумага офсетная Усл-печ л. / / Уч -мзд л О Тираж /Ъс экз Заказ

Тульский государственный уннверинст 300600, гтула, просп Ленина, 92

Отпечатано в редакннонно-излэтельа.оч цсшре Кльского государственного уншктипаа 300600, г Тула, ул Болднна, 151

С 145-151

Введение.

1. Современное состояние теории и практики управления пространственным положением сварочной головки и постановка задачи исследования.

1.1 Современные устройства для автоматического управления пространственным положением сварочной головки.

1.2 Системы управления положением сварочной головки по электрическим параметрам дуги.

1.3 Цели и задачи исследования.

2. Исследование автоколебательной системы управления положением сварочной головки.

2.1 Обоснование применения автоколебательной системы управления положением сварочной головки и выбора метода проектирования.

2.2 Математическая модель процесса сварки.

2.3 Фазовый годограф релейной системы.

2.4 Построение одноконтурной автоколебательной системы управления положением сварочной головки методом фазового годографа.

2.5 Исследование автоколебательной системы управления положением сварочной головки методом линеаризации.

Выводы.

3. Проектирование двухконтурной автоколебательной системы управления положением сварочной головки.

3.1 Проблемы управления положением сварочной головки по нескольким контурам.

3.2 Двухконтурная автоколебательная система управления положением сварочной головки.?.

3.3 Методика синтеза автоколебательных систем управления положением сварочной головки.

3.4 Сравнительный анализ автоколебательной системы управления положением сварочной головки и системы с внешней модуляцией.

Выводы.

4. Моделирование автоколебательной системы управления сварочной головкой с учетом реальных условий эксплуатации.

4.1 Классификация и анализ возмущающих воздействий при сварке.

4.2 Автоколебательная система управления сварочной головкой при сварке криволинейных стыков.

4.3 Исследование автоколебательной системы управления сварочной головкой при воздействии внешних возмущений.

Выводы.

5. Реализация системы автоматического управления процессом сварки на цифровой технике.

5.1 Формулировка требований к цифровой системе управления.

5.2 Математическое обеспечение автоматической системы управления процессом сварки.

5.3 Техническая реализация автоматической системы управления.

5.4 Экспериментальное исследование цифровой автоколебательной системы управления сварочной головкой в реальных условиях.

Выводы.

В настоящее время в промышленности сварка является самым распространенным типом соединения материалов. Сварочное производство развивается бурными темпами, в ряде случаев превосходящими темпы роста других процессов металлообработки. Ведущее место в сварочном производстве по-прежнему занимает дуговая сварка, которая и в ближайшем будущем останется основным видом сварки плавлением, а электродуговая сварка в среде защитных газов или под флюсом является одной из наиболее широко используемых. Такое положение дуговой сварки объясняется высокой концентрацией тепловой энергии, универсальностью процесса, возможностью сварки в различных условиях и положениях, надежностью и относительно низкой стоимостью оборудования, стабильностью прочностных характеристик сварных соединений, сравнительной простотой механизации процесса дуговой сварки.

Однако до сих пор значительная часть сварочных работ выполняется вручную. Автоматизация сдерживается отсутствием точных и надежных датчиков параметров стыка и сварочного процесса, но и в этом случае возможна лишь при условии качественной разделки швов и высокой точности позиционирования деталей по отношению к сварочному механизму, достигаемой за счет непрерывного совмещения оси горелки с центром углового стыка для получения качественного соединения.

Современным направлением автоматизации сварочных процессов является использование сварочных роботов. Конечной целью создания и применения сварочных роботов является повышение производительности труда и качества продукции. Суммарная технико-экономическая эффективность применения сварочных роботов включает повышение качества сварного соединения, социально-экономический эффект, экономию фонда заработной платы. Социально-экономический эффект достигается за счет освобождения человека от монотонной утомительной работы, исключения травм, заболеваний. Робот может эксплуатироваться в условиях вредной для здоровья человека среды (радиоактивной, химически активной, токсичной и т.д.). Перечисленные факторы с трудом поддаются количественной оценке, однако преуменьшать их значимость недопустимо.

В то же время применение промышленных роботов для автоматизации процессов дуговой сварки выдвигает ряд задач по организации производственного процесса, конструированию роботов с учетом специфики сварочного производства и, в первую очередь, созданию систем управления, обеспечивающих заданную точность и качество сварных соединений. Отклонение геометрических параметров свариваемых деталей и нарушение их пространственной ориентации затрудняют использование сварочных роботов, работающих по жесткой программе. Так, допустимый разброс точек сварки возможен лишь при условии, что отклонение размеров детали и погрешности ее ориентации не превосходят ошибок позиционирования робота. Если погрешность геометрических параметров свариваемой детали превышает некоторый предел, обусловленный допуском на размещение сварных точек и допустимым процентом брака, то применение роботов с жестким управлением становится нецелесообразным из-за низкого качества получаемого соединения. Возникает необходимость использования в роботах более совершенных систем управления, которые могли бы обеспечить сварку, используя текущую информацию о каждой детали по параметрам, определяющим условия и качество процесса сварки. Информация об изменении характеристик детали вводится в систему с помощью датчиков. Однако существующие в настоящее время механические, оптические, тепловые и другие датчики в реальных условиях фактически не используются из-за наличия в зоне сварки большого количества побочных факторов, выводящих их из строя. Для решения задачи автоматизации технологического процесса сварки необходимо применение совершенно новых подходов к получению информации о геометрических параметрах и положении стыка.

Одним из перспективных направлений развития систем управления процессом сварки является использование в качестве источника информации о геометрических параметрах стыка гармонических составляющих сварочного тока. В то же время применяемые в настоящее время системы позиционирования сварочной головки относительно шва на основе анализа гармонических составляющих сварочного тока используют в качестве источника колебаний для формирования качественного шва внешний генератор. Основными их недостатками являются фиксированная частота внешнего генератора, что не позволяет таким системам более быстро и качественно подстраиваться под параметры детали, и наличие дополнительных блоков, усложняющих конструкцию системы.

Таким образом, совершенствование качества систем управления процессом сварки и повышение надежности их работы по-прежнему является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является повышение качества сварных соединений путем создания автоколебательных систем управления положением сварочной головки, позволяющих исключить использование внешних генераторов колебаний электрода, применяемых для формирования качественного шва, и тем самым улучшить динамику и надежность работы автоматизированного сварочного оборудования.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

- исследование возможности возникновения автоколебаний в системе управления положением сварочной головки и их использования для генерации колебаний сварочного электрода;

- выбор методов синтеза автоколебательной системы автоматического управления положением сварочной головки и ее исследования;

- разработка структуры автоколебательной системы автоматического управления пространственным положением сварочной головки и методики синтеза ее параметров;

- оценка возможности применения автоколебательной системы для сварки различных типов стыков;

- оценка возмущений, действующих на систему управления в процессе сварки, и исследование динамики ее работы в реальных условиях;

- определение основных требований к современным АСУ ТП процессом сварки и реализация разработанных алгоритмов управления средствами цифровой техники.

Автор защищает:

- методику синтеза и анализа систем управления процессом сварки, основанную на применении метода фазового годографа и позволяющую осуществлять построение таких систем без использования внешних генераторов колебаний электрода;

- структуру автоматической системы управления положением сварочного электрода, автоколебания которой используются для поперечного перемещения электрода, обеспечивающую более высокую точность и надежность работы по сравнению с известными разработками;

- структуру автоколебательной системы управления положением сварочного электрода с адаптацией к параметрам кромок стыка, которая обеспечивает высокое качество шва при значительном изменении технологических параметров стыка;

- обобщенную классификацию и математическое описание основных возмущающих факторов, действующих на систему управления электродуговой сваркой в реальных условиях;

- методику оценки предельных значений кривизны стыка для автоматических систем управления положением сварочной головки, позволяющую на основе однократного моделирования реакции системы на заданное возмущающее воздействие определять допустимые параметры кривизны свариваемых изделий;

- техническую реализацию автоматической системы управления положением сварочного электрода.

Методы исследования. Решение поставленных в работе задач по разработке систем автоматического управления процессом электродуговой сварки базируется на использовании методов теории автоматического управления, гармонического анализа, теории фильтрации сигналов, теории цифровой обработки сигналов, численного анализа, методах теории математического моделирования.

Достоверность и эффективность разработанной системы подтверждается методами компьютерного моделирования, экспериментальными исследованиями и опытно-промышленными испытаниями в производственных условиях.

Научная новизна работы состоит в создании нового подхода к проектированию систем управления положением сварочной головки, в которых для реализации поперечных колебаний электрода, применяемых для формирования качественного шва, используются автоколебания системы.

Основные результаты, определяющие научную новизну:

- разработана методика синтеза автоколебательных систем управления положением сварочной головки, основанная на применении для их расчетов метода фазового годографа и позволяющая улучшить динамические характеристики существующих систем;

- предложены структуры систем управления положением сварочной головки, в которых колебания электрода создаются автоколебательным контуром, замкнутым по первой гармонике тока сварки и отличающиеся от существующих более высокой надежностью и качеством работы;

- осуществлен комплексный анализ возмущений, действующих на систему управления в процессе сварки, позволивший произвести аппроксимацию помех, влияющих на качество работы системы управления;

- разработана методика оценки предельных значений кривизны стыка для автоматических систем управления положением сварочной головки, позволяющая определять допустимые параметры кривизны свариваемых изделий, основываясь на результатах моделирования реакции системы на заданное возмущающее воздействие.

Практическая ценность выполненных исследований определяется следующими результатами:

- даны рекомендации для синтеза систем управления положением сварочной головки, обеспечивающих высокую надежность и требуемое качество формирования сварного соединения. Применение предложенных систем дает возможность повысить производительность сварочного оборудования и обеспечить экономию энергии и сварочных материалов за счет исключения дополнительной сварки непроваренных швов;

- предложен подход к линеаризации системы управления сварочным электродом по полезному сигналу, позволяющий обеспечить полный учет нелинейностей системы управления и получить достоверные результаты исследований;

- предложенные схемы систем управления просты в реализации и могут использоваться при электродуговой сварке в среде защитных газов и под флюсом;

- определены требования и даны рекомендации для построения систем управления процессом сварки на цифровой технике;

- разработано алгоритмическое и программное обеспечение микропроцессорных систем, позволяющее эффективно управлять процессом формирования сварного соединения.

Реализация результатов работы. Предложенная в диссертации методика автоматизации процесса сварки легла в основу реализованных в ОАО «АК «Туламашзавод» цифровых систем автоматического управления сварочным процессом. Для SCADA-системы TRACE MODE разработаны FBD-диаграммы управления положением сварочной головки. Разработано аппаратно-программное обеспечение для автоматизированного управления технологическим процессом электродуговой сварки в среде защитных газов и под флюсом.

Разработанная методика синтеза автоколебательных систем управления внедрена также в учебный процесс кафедры ЭВМ при реализации курса «Основы теории управления» и дипломном проектировании бакалавров и инженеров по специальностям: 230101 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети»; 140610 «Электрооборудование и электрохозяйство организаций, предприятий и учреждений»; 090105 «Комплексное обеспечение информационной безопасности автоматических систем»».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на:

- XVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-16», г. Ростов-на-Дону, РГАСХМ, 2003;

- IX Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве», г. Нижний Новгород, МВВО АТН РФ, 2003;

- IV Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в соединении материалов», г. Тула, ТулГУ, 2003;

- X Международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии СТТ'2004», г. Томск, ТПУ, 2004.

- I Всероссийской научно-технической конференции «Идеи молодых — новой России», г. Тула, ТулГУ, 2004 г. (диплом лауреата 2 степени);

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, среди которых 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5 разделов, выводов по результатам работы, списка литературы из 75 наименований. Работа изложена на 161 странице машинописного текста, включает 51 рисунок, 5 таблиц и 5 приложений.

Основные результаты и выводы по работе

1. Проведен анализ существующих структур систем управления положением сварочной головки, использующих сварочный ток и напряжение в качестве источника информации о положении сварочной головки. Отмечена целесообразность использования для этих целей гармонических составляющих сварочного тока.

2. Показана возможность возникновения автоколебаний в системах, использующих гармонические составляющие сварочного тока для получения информации о параметрах стыка. Отмечено, что они могут быть использованы в качестве источника колебаний задающей частоты при управлении движением электрода.

3. Предложены структуры систем управления положением сварочной головки, в которых колебания электрода создаются автоколебательным контуром, замкнутым по первой гармонике тока сварки. Показано, что такие системы имеют лучшие динамические характеристики по сравнению с системами, использующими внешний генератор задающей частоты.

4. Предложен подход к линеаризации системы управления сварочным электродом по полезному сигналу, позволяющий обеспечить полный учет нелинейностей системы управления и получить достоверные результаты исследований.

5. Разработана методика синтеза автоколебательных систем управления положением сварочной головки, основанная на применении метода фазового годографа для определения условий существования автоколебаний и возможной коррекции их параметров и предусматривающая использование имитационного моделирования для дальнейшего исследования параметров проектируемой системы.

6. Разработана методика оценки предельных значений кривизны стыка для автоматических систем управления положением сварочной головки, позволяющая формулировать требования к форме стыков на основе однократного моделирования реакции системы управления на заданное возмущающее воздействие.

7. Осуществлен комплексный анализ возмущений, действующих на систему управления в процессе сварки. Выделены основные помехи, влияющие на качество работы системы, представленные в виде математической модели возмущений.

8. На основе имитационного моделирования условий эксплуатации системы, базирующегося на разработанной математической модели возмущений, действующих на систему управления в процессе сварки, проведено исследование ее работоспособности. Показано, что система управления отвечает требованиям по качеству работы, предъявляемым при управлении реальными сварочными процессами;

9. Даны рекомендации по реализации системы в составе АСУ технологическим процессом электродуговой сварки. Предложена реализация разработанных алгоритмов управления средствами SCADA-системы TRACE MODE.

10. На базе промышленного контроллера ICP DAS 1-8410 разработана и внедрена цифровая автоколебательная система управления положением сварочной головки, испытания которой показали, что система способна обеспечить качество сварного соединения, соответствующее требованиям нормативных документов.

1. Алекин JI.E. Полная структурная схема дугового автомата типа АРДС // Тр. МВТУ. — 1970. — Т. 136. — С. 67-117.

2. Антосяк В.Г., Мельник A.A. Передаточная функция дуги постоянного тока при малых отклонениях тока и напряжения // Автомат, сварка. — 1983. —№12. —С.21-24.

3. Артоболевский И.И., Кобринский А.Е. Робототехника: современное состояние, проблемы. — Вестн. АН СССР, 1974, №9, С. 32-45.

4. A.c. 859071 СССР, МКИ3 В 23 К 9/10. Способ автоматической дуговой сварки швов с переменной шириной разделки кромок/ В.Е. Патон, М.Г. Бельфор, В.А. Богдановский и др. (СССР). — № 2730981/25-27; Заявлено 28.02.1979; Опубл. 30.08.1981. Бюл. № 32. — 7 с.

5. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных: Пер. с англ. — М.: Мир, 1989. — 540 е., ил.

6. Вернадский В.Н. Промышленные роботы в современном производстве // Сварочной производство. — 2001. №10. С. 16-22.

7. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. — М.: Наука, 1966. — 992 е., ил.

8. Булгаков Б.В. Колебания. — М.: Гостехиздат, 1954. — 891 с.

9. Введение в цифровую фильтрацию / под ред. Р. Богнера и А. Кон-стантинидиса. Пер. с англ. под ред. Л.И. Филиппова. М.: Мир, 1976. — 216 с.

10. Волченко В.Н. Оценка и контроль качества сварных соединений с применением статистических методов. М.: Стандарты, 1974. 120 с.

11. Гладков Э.А., Перковский P.A. Компьютерное управление качеством дуговой сварки (TIG, MIG) с использованием ПЗС камеры // Сварочное производство. — 1995. №4. С. 21-24.

12. Гольдфарб JI.C. Метод исследования нелинейных систем регулирования, основанный на принципе гармонического баланса // Основы автоматического регулирования: Теория. —М.: Машгиз, 1954. — С. 887-923.

13. Горбач В.Д. Автоматизация дуговой сварки плавящимся электродом судовых конструкций // Сварочной производство. — 2003. №95 С. 8-15.

14. Динамика двумерных систем автоматического регулирования / Ка-замаров A.A., Палатник A.M., Роднянский Л.О. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1967. — 308 е., ил.

15. Зайцев И.П., Кулешов О.М. Средства автоматизации в оборудовании для дуговой сварки. Д.: Энергия, 1975. 144 е., ил.

16. Куракин К.И., Куракин JI.K. Анализ систем автоматического регулирования на несущей переменного тока. — М.: Машиностроение, 1978 — 238 с.

17. Красовский A.A., Поспелов Г.С. Основы автоматики и технической кибернетики.- М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962.

18. Крылов Н.М., Боголюбов H.H. Введение в нелинейную механику. — Киев: Изд-во АН УССР, 1937. — 363 с.

19. Крылов Н.М., Боголюбов H.H. Новые методы нелинейной механики. — М.: Гостехиздат, 1934. — 243 с.

20. Лебедев A.B. Структурная схема процесса саморегулирования дуги с учетом тепловыделения в вылете электрода // Автомат, сварка. — 1985. —№9. —С.29-32.

21. Лебеденко Ю.И. Анализ и синтез релейных систем с нелинейными объектами управления методом фазового годографа: Дисс. к.т.н.: 05Л3.01. / ТулГУ. — Тула, 1997. — 173 с.

22. Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга. — М.: Машиностроение, 1970, —335 с.

23. Литвак В.И. Фотоэлектрические датчики в системах контроля, управления и регулирования. М.: Наука. 1966. 220 с.

24. Лурье А.И. Некоторые нелинейные задачи теории автоматического регулирования. — М.: Гостехиздат, 1951. — 216с.

25. Львов Н.С., Гладков Э.А. Автоматика и автоматизация сварочных процессов. Учебное пособие для вузов по специальности «Оборудование и технология сварочного производства».— М.: Машиностроение, 1982.— 302 е., ил.

26. ОСТ 3-4001-91. Конструкции сварные. Общие требования к изготовлению. ОКСТУ 0072. 01.05.1992.

27. Панарин В.М., Карпов B.C., Мазуров В.М. Математическое описание процесса сварки как объекта управления в задаче поиска стыка // Сварка цветных металлов. — Тула, 1985.—С. 82-86

28. Панарин В.М. Моделирование систем наведения электрода на стык с использованием дуги в качестве датчика // Изв. ТулГУ. Сер. САПР и эксперт, системы в сварке. — Тула, 1995. — С. 145-148.

29. Патон Б.Е., Мошкин В.Ф., Лебедев В.А., Пичак В.Г. Направления развития и совершенствования высокоэффективных систем оборудования для дуговых механизированных способов сварки, наплавки и резки // Сварочной производство. — 1999. №11. С. 30-35.

30. Патон Б.Е. Некоторые прогнозы развития сварки. — Автоматическая сварка, 1971, №5, С. 1—9.

31. Патон Б.Е., Спыну Г.А., Тимошенко В.Г., Кононец В.И. Промышленные роботы для сварочного производства. — Автоматическая сварка, 1975, №3, С. 39—43.

32. Патон Б.Е. Пути развития автоматической дуговой сварки. — Автоматическая сварка, 1976, №5, С.1—5.

33. Патон Б.Е., Воропай Н.М. Сварка активированным плавящимся электродом в защитном газе // Автоматическая сварка. — 1979. №1. С. 1-7.

34. Петров В.В., Марчуков Б.А. Приборные сервомеханизмы летательных аппаратов. — М.: Машиностроение, 1973. — 224 с.

35. Полянский П.В. Измерение параметров дуги в роботизированных сварочных комплексах // Сварочной производство. — 1996. №12. С. 29-31.

36. Применение следящих, копировальных и программных систем для сварки, наплавки и резки металла. Волгоград: ВНИИТМ, 1967. 200 с.

37. Промышленные роботы для сварки / Патон Б.Е., Спыну Г.А., Тимошенко В.Г. К., «Наук. Думка», 1977. — 228 с.

38. Робот агрегатной конструкции «Версатран». — ЭИ ВИНИТИ. Сер. Технология и оборудование механо-сборочного производства, 1971, №45, реф. 351, с. 5-6.

39. Роботы с адаптивным управлением. — ЭИ ВИНИТИ. Сер. Технология и оборудование механосборочного производства, 1972, №8, реф. 10, С. 1-2.

40. Розанов Ю.А. Теория вероятностей, случайные процессы и математическая статистика. М.: Наука, 1984. — 382 с.

41. Руднев С.А., Фалдин Н.В. Расширение области применимости условия устойчивости Цыпкина. — Изв. АН СССР. Техн. кибернетика, 1980, №5. —С. 1025-1029.

42. Системы автоматического управления положением сварочной головки с использованием дуги в качестве датчика /B.C. Карпов, В.М. Мазуров, В.М. Панарин. Тул. гос ун-т; Тула, 1999. — 122 с.

43. Судник В.А., Иванов A.B. Математическая и компьютерная модели источника теплоты при МАГ-сварке в газовых смесях // Изв. ТулГТУ. Сер. САПР и экспер. системы в сварке. — Тула, 1995. — С. 108-118

44. Судник В.А., Иванов A.B. Математическая модель источника теплоты при дуговой сварке плавящимся электродом в смеси защитных газов. Часть 1. Нормальный процесс // Сварочной производство. — 1998. №9. С. 39.

45. Судник В.А., Иванов A.B., Дилтей X. Математическая модель источника теплоты при дуговой сварке плавящимся электродом в смеси защитных газов. Часть 1. Импульсный процесс // Сварочной производство. — 2000. №9. С. 9-15.

46. Судник В.А., Иванов A.B. Энергетическая модель МАГ-дуги в защитной смеси Аг+С02. // Материалы семинара «Физика дуги и источники питания». — Киев, 1992. — С. 24-25

47. Технологические свойства сварочной дуги в защитных газах / В.А. Ленивкин, Н.Г. Дюргеров, Х.Н. Сатаров. — М.: Машиностроение, 1989, —264 е., ил.

48. Фалдин Н.В., Руднев С.А. Исследование устойчивости автоколебаний в релейных системах с нелинейным объектом управления // Динамика и точность функционирования тепломеханических систем. Тула: ТПИ, 1977. - С. 46-55.

49. Фалдин Н.В., Лебеденко Ю.И. Линеаризация автоколебательных релейных систем // Системы автоматического управления и их элементы. -Тула: ТулГУ, 1996. С. 41 - 52.

50. Фалдин Н.В., Руднев С.А. Оптимизация в конечномерном пространстве. — Тула: ТПИ, 1986. — 72 с.

51. Цыпкин Я.З. Релейные автоматические системы. — М.: Наука, 1984. —576 с.

52. Юревич Е.И. Функциональные схемы роботов трех поколений. — Изв. АН СССР. Тех. кибернетика, 1974, №6, С. 43-50.

53. Digital Subscriber Line / Wikipedia, the free encyclopedia, 2004. Retrieved from http://en.wikipedia.org/wiki/DigitalSubscriberLine

54. Drews P., Starke G., Wellms K. The current state of development of sensors for gas-shielded welding// Schueiss. Und scheid. — 1984. — №4. — E57-E60. P. 162- 172.

55. Groover M.P., Weiss M., Nagel R.N., Odrey N.G. Industrial Robotics Technology. Programming and Applications. McGraw Hill, USA

56. IDEFO Author's Guide to Creating Activity Diagrams / SofTech Deliverable no. 7500-13, September 1979.

57. Integrated Computer-Aided Manufacturing (ICAM) Report: Function Modeling Manual (IDEFO) / SofTech, Inc., contract no. F33612-78-C-5158, 1981.

58. Integration Definition for Function Modeling (IDEFO) / Draft Federal Information Processing Standards. Publication 183, 1993 December 21.

59. Marcelo H. Ang, Wei Lin, Ser-Young Lim A Walk-Through Programmed Robot for Welding in Shipyards. Industrial Robot, Vol. 26, No. 5, 1999, pp. 377-378

60. US Patent 5,990,446 Method of arc welding using dual serial opposed torches/ Yuming Zhang, Shaobin Zhang. Appl. No: 049191, Filed: March 27, 1998; Publ.: November 23, 1999