автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Методы и средства автоматизации процессов электродуговой сварки в защитных газах

Введение.

1. Проблемы комплексной автоматизации процесса дуговой сварки.

1.1. Автоматическое управление электрическим режимом процессом дуговой сварки.

1.2. Устройства для автоматического направления электрода по стыку свариваемых деталей.

1.3. Методы анализа статических и динамических свойств системы "источник питания - сварочная дуга".

1.4. Особенности автоматической дуговой сварки в СО2 плавящимся электродом.

1.5. Цели и задачи исследования.

2. Разработка принципов построения и методов расчета управляемых источников питания для дуговой сварки.

2.1. Общие принципы построения управляемых источников питания для дуговой сварки.

2.2. Тиристорные источники питания для дуговой сварки.

2.3. Дискретные стабилизаторы напряжения для сварочных автоматов.

2.4. Блочно-модульные источники питания для сварки в защитных газах.

2.5. Дискретные адаптивные регуляторы напряжения для автоматической дуговой сварки.

3. Разработка способов и систем для автоматического направления электрода по стыку свариваемых деталей.

3.1. Разработка фотоэлектрических систем автоматического направления электрода по стыку свариваемых деталей.

3.2. Разработка способов и систем для автоматического направления электрода по стыку с использованием дуги в качестве чувствительного элемента.

3.3. Коррекция параметров режима сварки в зависимости от ширины зазора в стыке свариваемых деталей.

4. Математическая модель процесса дуговой сварки в защитных газах как объекта автоматического управления.

4.1. Представление процесса дуговой сварки с управляемым вентильным преобразователем в виде замкнутой системы

4.2. Непрерывная аппроксимация периодических процессов в управляемом вентильном преобразователе рядами Фурье.

4.3. Статические и динамические модели процесса дуговой сварки с управляемым вентильным преобразователем в сварочном контуре.

4.4. Инженерная методика расчета статических и динамических характеристик управляемых вентильных преобразователей для дуговой сварки.

5. Разработка и оптимизация систем автоматического управления процессом дуговой сварки.

5.1. Синтез оптимальных регуляторов электрического режима процесса дуговой сварки.

5.2. Разработка реализуемых квазиоптимальных регуляторов электрического режима процесса дуговой сварки.

5.3. Синтез комбинированных систем автоматического управления процессом дуговой сварки.

5.4. Исследование чувствительности качественных показателей квазиоптимальных регуляторов электрического режима дуговой сварки к вариациям параметра объекта.

6. Техническая реализация и результаты производственных испытаний квазиоптимальных регуляторов электрического процесса дуговой сварки, источников питания и систем автоматического слежения за стыком.

6.1. Техническая реализация и экспериментальное исследование квазиоптимального регулятора электрического режима и быстродействующего управляемого источника питания для дуговой сварки.

6.2. Техническая реализация и исследование систем для автоматического направления электрода по стыку.

7. Режимы и техника сварки в защитных газах управляемыми источниками питания.

7.1. Сварка стыковых соединений.

7.2. Сварка вертикальных швов.

7.3. Сварка потолочных швов.

Основные результаты работы.

В настоящее время во многих отраслях промышленности широко применяются различные виды сварки, среди которых ведущее место в России занимает электродуговая сварка в защитных газах плавящимся электродом. Поэтому автоматизации этого вида сварки уделяется повышенное внимание ученых и специалистов, поскольку только такой подход может обеспечить решающий рост производительности труда, улучшение условий работы сварщиков, повышение эффективности производства, надежности сварных конструкций и их качества.

Для полной автоматизации процесса дуговой сварки необходимо решение следующих задач: разработка сварочной аппаратуры с широким спектром регулируемых параметров; разработка эффективных средств измерения параметров режима сварки, определения положения соединения и состояния объекта перед сваркой, в точке сварки и после сварки; создание устройств и систем оптимального управления режимом сварки с элементами адаптации, а также средств перемещения рабочего органа относительно изделия; разработка средств диагностики. При этом все эти системы и устройства должны быть информационно и конструктивно совместимы. Следует отметить, что на настоящий день многие задачи автоматизации процесса сварки уже решены.

К настоящему времени разработаны системы стабилизации сварочного тока и напряжения, скорости сварки и подачи электродной проволоки, регулирования вылета электрода и т.д. В тоже время управление энергетическими параметрами сварки осуществляется по средним значениям и не зависит от изменений технологических характеристик, поскольку существующие источники питания и регуляторы имеют быстродействие, ограниченное, как правило, периодом сетевого напряжения, а процессы в зоне сварки гораздо более быстротечны.

Большое внимание уделяется созданию эффективных систем автоматического управления положением сварочной горелки относительно стыка.

Разработаны системы управления, основанные на использовании механических копиров и роликов, фотоэлектрических и телевизионных элементов, электромагнитных устройств и использовании самой сварочной дуги в качестве чувствительного элемента. Однако, в одном случае датчики и системы подвержены воздействию электромагнитного поля, создаваемого дугой и, как следствие, обладают низкой точностью и помехозащищенностью, в другом - громоздки и инерционны , в третьем - приспособлены только для сварки разделанных и уголковых стыков при наличии поперечных колебаний электрода.

Таким образом, проблема построения быстродействующих управляемых сварочных преобразователей, надежных и эффективных систем автоматического управления электрическим режимом процесса дуговой сварки и систем автоматического направления электрода относительно положения стыка свариваемых деталей является актуальной и представляет практический и научный интерес.

Целью работы является: разработка методов и средств автоматического управления электрическим режимом процесса электродуговой сварки и систем автоматического направления электрода относительно свариваемых стыков; создание методов расчета и принципов построения быстродействующих управляемых сварочных преобразователей; построение новых структур систем управления для различных видов сварки и разработка методов их расчета; проведение оптимизации систем; исследование систем управления, систем электропитания и их реализация на средствах микропроцессорной техники и силовой электроники.

Достижение этой цели позволит решить важную народнохозяйственную проблему создания простых в эксплуатации и надежных систем управления сварочными процессами, обеспечивающих эффективность и качество управления и позволяющих повысить производительность сварочных работ.

Основные положения, защищаемые в диссертации:

-методы построения и расчета стабилизированных систем электропитания для дуговой сварки в защитных газах на основе высокочастотного преобразования энергии;

-методы проектирования и расчета блочно-модульных источников питания для автоматической и полуавтоматической дуговой сварки, построенных на основе дискретных исполнительных органов (ДИО), состоящих из ряда преобразовательных модулей и позволяющих изменять (адаптировать) их структуру (вид соединения модулей) в зависимости от диапазона регулирования напряжения или тока нагрузки;

-методы построения систем управления движением сварочной головки относительно положения и параметров стыка, основанные на фильтрации оптических сигналов и анализе тока и напряжения сварки в качестве информационных параметров;

-математические модели системы "источник питания - сварочная дуга" как объекта автоматического управления и методика их расчета, структуры систем автоматического управления электрическим режимом процесса дуговой сварки

-структуры систем управления для различных видов стыков, математические модели процесса сварки для целей управления, структуры систем управления для различных видов стыков и методы их расчета;

-метод оптимизации систем управления процессом дуговой сварки по интегральному квадратичному критерию качества, основанный на преобразовании координат состояния объекта управления;

-методика комбинированного управления электрическим режимом процесса дуговой сварки в условиях неопределенности координат состояния объекта;

-аппаратная и схемотехническая реализация систем управления и источников питания на средствах микросхемотехники, однокристальных микроЭВМ и силовой электроники применительно к автоматической и полуавтоматической дуговой сварке.

Методы исследования. При получении основных результатов в работе использовались методы теории автоматического и оптимального управления, теории модального управления, теории идентификации, теории динамических систем, теории сигналов, теории матриц, преобразования Фурье, методов гармонического анализа и фильтрации. Достоверность и эффективность разработанных систем электропитания и управления подтверждается методами компьютерного и физического моделирования, результатами испытаний в системе сертификации Госстандарта России и результатами практического применения в различных отраслях промышленности.

Научная новизна работы состоит в создании теоретических основ разработки широкого спектра управляемых сварочных преобразователей и построения систем автоматического управления электрическим режимом процесса дуговой сварки в защитных газах и систем автоматического слежения за стыком свариваемых деталей.

В работе получены следующие новые результаты.

1. Разработаны методы построения непрерывных моделей системы "управляемый вентильный преобразователь - сварочная дуга" (УВП-СД), основанные на представлении УВП в виде замкнутой многомерной системы, координаты которой отражают изменение гармонических составляющих периодических процессов. Методы основаны на аппроксимации периодических процессов в линейной части преобразователя рядом Фурье и имеют общий подход к расчету статических и динамических характеристик УВП при работе в различных режимах.

2. Получены аналитические зависимости для расчета статических и динамических характеристик УВП, отражающие изменение огибающих преобразованных сигналов при фазовом регулировании и управлении с помощью напряжения питания.

3.На основе метода гармонического баланса разработана инженерная методика расчета характеристик УВП, позволяющая рассчитывать преобразователи для различных видов сварки и способов управления их режимом.

4. Разработан и исследован метод синтеза квазиоптимальных регуляторов электрического режима процесса дуговой сварки в защитных газах с использованием идентификаторов состояния для восстановления недоступных непосредственному измерению координат системы УВП-СД.

5.Разработана методика синтеза комбинированных систем управления режимом дуговой сварки на основе теории модального управления и методов идентификации

6. Разработаны методики расчета, схемотехника и оригинальные структуры управляемых источников питания для дуговой сварки с использованием высокочастотного преобразования энергии и блочно-модульного принципа построения.

7. Разработана схемотехника и методы расчета широкодиапазонных стабилизаторов, состоящих из ряда преобразовательных модулей и позволяющих изменять (адаптировать) их структуру (вид соединения модулей) в зависимости от диапазона сетевого напряжения, диапазона регулирования напряжения или тока нагрузки, а также требований надежности.

8. Разработаны принципы построения и методика расчета дискретных формирователей напряжения на основе изменения по заданному закону во времени коэффициента трансформации за счет коммутации обмоток высокочастотного трансформатора или преобразовательных модулей с трансформаторным выходом.

9. Разработаны новые методы построения систем автоматического направления электрода по стыку свариваемых деталей на основе методов фильтрации оптических сигналов и использовании составляющих сварочного тока и напряжения в качестве информационных параметров. На основе предложенных методов разработан ряд оригинальных структур систем управления для сварки стыков различной конфигурации.

10. Разработаны методы расчета систем управления и критерии выбора тока и напряжения в зависимости от технологических параметров сварочного процесса.

11. Разработаны структуры систем управления для сварки сложных видов стыков с изменяющейся шириной зазора и технологическими прихватками.

Практическая ценность работы состоит, прежде всего, в том, что предложена методология построения простых и надежных в промышленной эксплуатации систем управления. Методология теоретически обоснована и доведена до конкретных решений в виде структур, методик расчета, схемотехнических вариантов построения сварочных преобразователей и систем управления и их серийного производства на ряде предприятий. Применение разработанных источников питания и систем управления обеспечивают повышение качества работы по сравнению с аналогичными, что доказано многочисленными результатами исследований на промышленных предприятиях, испытаниями в процессе сертификации в государственном сертификационном центре и последующим серийным производством на ряде предприятий России. Самостоятельную практическую ценность представляют собой программы непосредственного цифрового управления в реальном времени для однокристальных микроЭВМ.

Реализация результатов работы. Предложенные в диссертации методы построения и расчета систем управления и источников питания легли в основу серийного производства и реализации на ряде предприятий эффективных и надежных устройств и систем управления:

-разработана серия быстродействующих управляемых источников питания для автоматической и полуавтоматической дуговой сварки на базе тиристорных и транзисторных преобразователей частоты;

-разработаны инверторные блочно-модульные системы электропитания для дуговой сварки с широким диапазоном регулирования выходного напряжения и тока;

-разработан ряд квазиоптимальных систем автоматического управления электрическим режимом процесса дуговой сварки с системой коррекции параметров режима в зависимости от геометрических характеристик стыка свариваемых деталей;

-разработана фотоэлектрическая система автоматического управления положением горелки относительно стыка свариваемых деталей на основе фотодиодных матриц и специальных фильтров;

-разработаны системы управления на однокристальных микроЭВМ для широкого класса электросварочного оборудования.

Предложенные устройства и системы управления защищены 23 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.

Апробация работы. Основные положения диссертации и ее этдельные разделы докладывались: на II и III Всесоюзных конференциях по зварке цветных металлов и сплавов (Ташкент, 1982, Киев, 1985); на научно-техническом семинаре комиссии по аналитическому конструированию оптимальных регуляторов Координационного Совета по кибернетике при \Н СССР ( Тула, 1986); на Десятой и Одиннадцатой Международных сонференциях "Математические методы в технике и технологиях Новомосковск, 1997; Владимир, 1998); на научно- техническом семинаре координационного Совета по сварке при ИЭС им. Е.О.Патона АН УССР

12

Киев, 1990); на Второй и Третьей Всероссийских научно-технических сонференциях "Устройства и системы энергетической электроники" Москва, 2000, 2001); на I Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» Нижний Новгород, 1999); на Всероссийской научной конференции 'Электротехнологии сегодня и завтра" (Чебоксары, 1997); на научно-технических конференциях и научных сессиях Тульского государственного университета в 1978-2000 гг.

Опытно-промышленные и промышленные варианты разработанных шстем управления и источников питания демонстрировались на Международной весенней Лейпцигской ярмарке (Лейпциг, 1985 г.), зыставке продукции малых предприятий России(Москва, 1998), Девятой и Десятой Международных выставках "Электро-2000" и "Электро-2001" /.Москва, 2000-2001 гг.), Международной специализированной выставке 'Россварка" (Москва, 2001 г.), Третьей Международной специализированной выставке электронных компонентов и технологического оборудования 'Электроника-2000" (Москва, 2000 г.).