Введение к работе
Актуальность проблемы. Технологический процесс электродуговой сварки широко применяется при изготовлении узлов и деталей в машиностроительной, нефтяной, газовой и многих других отраслях промышленности. Сварные соединения обеспечивают высокую прочность, герметичность и долговечность при относительно простом способе их выполнения. В тоже время свыше 70 % электросварочных работ производится вручную. Сварщик работает в условиях сильной загазованности, подвергается вредному воздействию излучения дуги. Тяжелые условия труда приводят к тому, что сварщик занимается непосредственно сваркой лишь 30 % своего рабочего времени, остальное - уходит на отдых.
К качеству сварных соединений предъявляются весьма жесткие требования, удовлетворить которые только за счет правильного выбора технологии и режимов сварки затруднено из-за наличия большого числа возмущающих воздействий, влияющих на процесс формирования шва и снижающих его качество. Это, прежде всего, погрешность при изготовлении деталей под сварку, отклонение параметров стыка от заданной геометрии, погрешность наведения электрода на стык свариваемых деталей. Исключить влияние возмущающих факторов даже при современной технологии невозможно, так как в большинстве случаев они обусловлены сложной формой изделия, особенностями физических процессов, протекающих при сварке, деформацией и короблением изделия, изменением теплофизических свойств материалов и т.п.
При автоматизации технологического процесса электродуговой сварки необходимо решать проблему комплексного управления параметрами процесса, влияющими на качество формирования сварного соединения. Применение для этих целей локальных систем управления зачастую не обеспечивает требуемого качества. В связи с этим проблема создания систем управления одновременно несколькими параметрами, влияющими на формирование шва, является актуальной.
Современный подход к созданию автоматических систем управления сварочными процессами требует не просто замены существующих аналоговых регуляторов на цифровые, имеющие несомненные преимущества с точки зрения обеспечения визуализации процесса, графического интерфейса оператора, самоконтроля, хранения и архивирования информации и т.п., но и должен предлагать повышение качества управления за счет использования высокоэффективных алгоритмов. Стремительное развитие технологии производства средств микропроцессорной техники создало необходимые предпосылки для практического внедрения подобных алгоритмов. Однако для процесса сварки сдерживающим фактором является отсутствие алгоритмического и программного обеспечения цифровых систем управления сварочными процессами.
По проблемам автоматизации технологического процесса электродуговой сварки исследования проводятся как в нашей стране, так и за рубежом. Наиболее известны в этой области работы Б.Е. Патона, Э.А. Гладкова, НСЛьвова, В.К. Лебедева, К.К. Хренова, Г.М. Каспржак, Л.Е. Алехина, В.М.Шитовой, Н.М. Трофимова, В.А. Судника, ВС. Карпова, В.М. Мазурова,
4 В.А. Тимченко, Г.А. Цыбулькина, В.К. Долиненко, G. Cook, P. Drews, J. Re-penning, Y.Fujita, H. Fujino, A. Ichikawa и других авторов.
Таким образом, проблема построения надежных и эффективных систем управления формированием сварного соединения по ряду параметров с использованием сварочной дуги в качестве источника информации является актуальной и представляет научный и практический интерес.
Целью работы является решение научной проблемы повышения качества сварного соединения на основе разработки методов и средств автоматического управления в технологических процессах электродуговой сварки с использованием электрической дуги в качестве источника информации, разработки математических моделей и установления зависимостей между параметрами стыка и гармоническими составляющими тока и напряжения, создания систем автоматического управления, разработки новых оригинальных структур, оптимизации систем управления для технологического процесса сварки под флюсом и разработка алгоритмов управления.
Достижение этой цели позволяет решить важную научно-техническую проблему по созданию систем управления формированием сварного соединения с использованием дуги в качестве источника информации в технологических процессах электродуговой сварки.
Автор защищает:
принцип построения систем управления формированием сварного соединения с использованием информации о ходе процесса сварки по электрическим параметрам дуги;
ряд функциональных зависимостей между параметрами стыка и гармоническими составляющими сварочного тока;
структуру системы управления формированием сварного соединения на основе использования электрических параметров сварочного тока и напряжения;
оригинальные структуры систем автоматического управления формированием сварного соединения на основе использования дути как источника информации и методики их расчета;
методику определения структуры и параметров динамической модели, отражающей взаимосвязь параметров стыка и гармонических составляющих сварочного тока;
методику оптимизации систем управления на основе преобразования координат состояния по критерию максимального быстродействия с целью повышения качества сварного соединения в технологических процессах сварки под флюсом;
аппаратную и схемотехническую реализацию систем управления на средствах микросхемотехники и однокристальных микроЭВМ применительно к сварочному оборудованию.
Методы исследования. Решение поставленной в работе проблемы базируется на использовании методов гармонического анализа, теории фильтрации сигналов, цифровой обработки сигналов, численного анализа, теории оптимальных систем управления. Подтверждение достоверности и эффективности предложенных систем управления проводилось на основе результатов компьютерного моде-
5 лирования и промышленных испытаний в реальных технологических процессах электродуговой сварки.
Научная новизна заключается в предложении принципа получения информации по электрическим параметрам сварочной дуги с использованием гармонических составляющих сварочного тока и напряжения для формирования управляющих воздействий в системах автоматического управления сварочными процессами. На основе предложенного принципа разработаны новые оригинальные структуры систем автоматического управления формирования сварного соединения в технологических процессах электродуговой сварки в среде защитных газов и под флюсом. Установлены взаимосвязи между параметрами стыка свариваемых деталей и гармоническим составом сварочного тока и напряжения на дуте. Предложен идентификационный подход и методика определения структуры и параметров динамической модели, отражающей взаимосвязь параметров стыка и гармонических составляющих тока и напряжения, разработана методика выбора коэффициентов штрафа в квадратичном критерии качества Разработана методика оптимизации систем управления в технологических процессах сварки под флюсом.
Практическая ценность работы заключается в разработке методологии построения систем управления формированием сварного соединения по электрическим параметрам дуги без использования дополнительного комплекса внешних датчиков, что упрощает конструктивное исполнение систем управления, повышает их надежность и снижает стоимость производства Методология доведена до конкретных решений в виде новых оригинальных структур систем управления, методик расчета, схемотехнических вариантов реализации систем управления. Применение разработанных систем позволяет автоматизировать технологический процесс электродуговой сварки. При этом существенно изменяется характер труда сварщика, он выводится из зоны вредного воздействия сварочной дуги. Использование систем управления обеспечивает повышение качества сварного соединения, увеличение производительности труда, приводит к снижению затрат электроэнергии и сварочных материатов.
Реализация результатов работы. Предложенные в диссертации методы автоматизации технологического процесса электродуговой сварки легли в основу реализованных в производстве эффективных и надежных систем управления для ряда серийного технологического оборудования. Разработаны: система управления сварочным оборудованием трубосварочной базы, предназначенной для сварки плетей магистральных трубопроводов; система управления применительно к сварочным роботам и специализированному сварочному оборудованию; система управления применительно к оборудованию для сварки корпусов шаровых кранов для магистральных трубопроводов под флюсом; аналоговый блок адаптации для сварочных роботов, манипуляторов и другого оборудования. Разработана универ-сатьная система управления на однокристальных микроЭВМ для широкого класса электросварочного оборудования; алгоритмы и программное обеспечение, которое может использоваться как в промышленных контроллерах в виде встраиваемой опции, так и в составе современных АСУ ТП.
Разработанные системы управления технологическим процессом электродуговой сварки внедрены в серийное оборудование на следующих пред-
приятиях: ОАО «Центргаз», ОАО «Мострансгаз», НЗКМ, ОАО «Тяжпромар-матура», ОАО «Тульский машиностроительный завод», ОАО «Тульский комбайновый завод», ГНТПП «Сплав», ОАО «Туларегионгаз», ОАО «Завод «Штамп», ОАО «Тульский патронный завод». Разработанные методы и программное обеспечение использованы в курсах «Локальные системы управления» и «Применение управляющих вычислительных машин».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались:
на II Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в соединениях материалов», 1998 г.;
the 6th International Conference on Automatic control, 1998 г.;
- на 1-й Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные
технологии в науке и производстве», 1999 г.;
The international scientific youth conference, 1999 г.;
на 5-й Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин», 2000 г.;
на 6-й Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин», 2001 г.;
на IY Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в соединении материалов», 2003 г.;
на 1-ой Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики», 2004 г.;
на научно-технических конференциях и научных сессиях Тульского государственного университета в 1998-2005 гг.
Система управления была представлена на Всероссийской выставке «Сварка цветных металлов и сплавов» (1999 г.), программы моделирования демонстрировались на Выставке при Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в соединении материалов» (2003 г.), работа представлялась на Международной Российско-Итальянской выставке по экономическому и научно-техническому сотрудничеству в г. Риме (2005 г.).
Работа выполнена в рамках научно-технической программы Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма «Производственные технологии», тема «Исследование и разработка микропроцессорных систем управления производственным оборудованием для электродуговой сварки». Результаты работы использовались в ряде хоздоговорных НИР и внедрены на 12 различных предприятиях.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 37 печатных работ, среди которых 7 монографий и учебных пособий с грифом УМО, 6 патентов на изобретения.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 184 наименований, работа изложена на 400 страницах машинописного текста с приложениями, имеет 155 рисунков и 13 таблиц.
Похожие диссертации на Методы и системы управления формированием сварного соединения в технологических процессах электродуговой сварки
