Устройство автоматического управления положением сварочной головки

 

Изобретение относится к автоматизации сварочных процессов. Устройство автоматического управления положением сварочной головки, имеющей электрод, содержит первый, второй и третий каналы управления положением сварочной головки. Первый канал содержит последовательно соединенные источник питания сварочной дуги, шунт сварочной цепи, датчик величины сварочного тока, полосовой фильтр, настроенный на частоту колебаний электрода, первый синхронный детектор, первый фильтр низкой частоты, датчик фазы сканирования, колебатель, последовательно соединенные сумматор, первый усилитель и привод перемещения головки поперек стыка. Второй вход первого синхронного детектора подключен к выходу датчика фазы сканирования, вход которого соединен с колебателем, подсоединенным к сварочной головке. Второй канал содержит последовательно соединенные датчик сварочного напряжения, триггер Шмитта, аналоговый ключ, вход управления которого подключен к выходу датчика фазы сканирования, первое и второе инерционные звенья первого порядка, устройство сравнения аналоговых сигналов и сглаживающий фильтр. Два выхода аналогового ключа подключены к соответствующим входам первого и второго инерционных звеньев первого порядка, выходы которых подключены к соответствующим входам устройства сравнения аналоговых сигналов, выход которого подключен к входу сглаживающего фильтра. Выход сглаживающего фильтра подключен к первому входу сумматора. Третий канал содержит последовательно соединенные полосовой фильтр, настроенный на утроенную частоту колебаний головки, второй синхронный детектор, второй фильтр низкой частоты, первый усилитель с переменным коэффициентом усиления, утроитель частоты. Выход первого усилителя с переменным коэффициентом усиления подключен ко второму входу сумматора. Второй вход второго синхронного детектора подключен к выходу утроителя частоты, вход которого подключен к выходу датчика фазы сканирования. Устройство также содержит канал управления коэффициентом усиления усилителей, содержащий последовательно соединенные полосовой фильтр, настроенный на удвоенную частоту колебаний электрода, выпрямитель, третий фильтр низкой частоты, инвертор и второй усилитель с переменным коэффициентом усиления. Выход третьего фильтра низкой частоты соединен с управляющим входом первого усилителя с переменным коэффициентом усиления и с входом инвертора. Выход инвертора соединен с управляющим входом второго усилителя с переменным коэффициентом усиления, вход которого подключен к выходу первого фильтра низкой частоты. Выход второго усилителя с переменным коэффициентом усиления подключен к третьему входу сумматора. Входы третьего канала управления положением сварочной головки и канала управления коэффициентами усиления усилителей подключены к выходу датчика сварочного тока. Изобретение позволяет повысить качество сварочного соединения. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области автоматизации сварочных процессов, более точно к автоматизации электродуговой сварки разделанных и угловых швов в среде защитных газов и под флюсом. Оно может найти применение в машиностроении и приборостроении.

До настоящего времени большинство процессов электродуговой сварки ведется вручную, требует высокой квалификации сварщика и поддается автоматизации на массовом производстве лишь при условии качественной разделки швов и высокой точности установки деталей по отношению к сварочному стенду. Это связано с тем, что для получения качественного шва при прочих равных условиях необходимо непрерывное совмещение оси горелки с серединой стыка при неплоских стыках (выпуклых или вогнутых). Таким образом, указанное совмещение является основным условием автоматизации электросварочного процесса.

Известен ряд устройств для наведения электрода на стык свариваемых кромок с использованием дуги в качестве чувствительного элемента (см. Тимченко В.А. и др. Системы автоматического наведения электрода на линию соединения с использованием дуги в качестве датчика // Автоматическая сварка. - 1981. - N 6. - с.59-64).

Известно устройство управления движением сварочной головки относительно оси стыка при механизированном процессе сварки, содержащее датчик сварочного тока (или напряжения), датчик знака отклонения дуги, аналоговые интеграторы, схему управления, привод перемещения сварочной горелки поперек стыка и схему управления этим приводом (патент ФРГ 2533448, опубликованный 27.01.77 г., МПК⁵ В 23 К 9/10).

Недостатком данного устройства является то, что измерение электрических параметров дуги производят в течение одного периода ее качания поперек стыка и, следовательно, результат его зависит от флуктуации тока или напряжения, характерных для процесса электросварки, что снижает качество получаемого шва.

Наиболее близким по технической сущности является устройство автоматического управления положением сварочной головки, содержащее первый канал управления положением сварочной головки, включающий в себя последовательно соединенные источник питания дуги, шунт сварочной цепи, датчик величины сварочного тока, полосовой фильтр, настроенный на частоту колебаний электрода, синхронный детектор, фильтр низкой частоты, второй вход синхронного детектора подключен к выходу датчика фазы сканирования, вход которого соединен с колебателем, подсоединенным к сварочной головке, последовательно соединенные усилитель и привод перемещения головки поперек стыка, второй канал управления положением сварочной головки, содержащий последовательно соединенные датчик сварочного напряжения, триггер Шмитта, аналоговый ключ, вход управления которого подключен к выходу датчика фазы сканирования, два выхода аналогового ключа подключены к соответствующим входам первого и второго инерционных звеньев первого порядка, выходы которых подключены к соответствующим входам устройства сравнения аналоговых сигналов, выход которого подключен через сглаживающий фильтр к первому входу сумматора, ко второму входу которого подключен выход фильтра низких частот, а выход сумматора подключен ко входу усилителя. (Патент РФ 2177860, МПК⁷ В 23 К 9/10, Б.Н. 1, 2002 г.).

Задачей предложенного изобретения является повышение качества сварного соединения.

Поставленная задача достигается тем, что в известное устройство автоматического управления положением сварочной головки, имеющей электрод, содержащее первый канал управления положением сварочной головки, содержащий последовательно соединенные источник питания сварочной дуги, шунт сварочной цепи, датчик величины сварочного тока, полосовой фильтр, настроенный на частоту колебаний электрода, первый синхронный детектор, первый фильтр низкой частоты, а также датчик фазы сканирования, колебатель, при этом второй вход первого синхронного детектора подключен к выходу датчика фазы сканирования, вход которого соединен с колебателем, подсоединенным к сварочной головке; последовательно соединенные сумматор, первый усилитель и привод перемещения головки поперек стыка, второй канал управления положением сварочной головки, содержащий последовательно соединенные датчик сварочного напряжения, триггер Шмитта, аналоговый ключ, вход управления которого подключен к выходу датчика фазы сканирования, а также первое и второе инерционные звенья первого порядка, устройство сравнения аналоговых сигналов и сглаживающий фильтр, при этом два выхода аналогового ключа подключены к соответствующим входам первого и второго инерционных звеньев первого порядка, выходы которых подключены к соответствующим входам устройства сравнения аналоговых сигналов, выход которого подключен к входу сглаживающего фильтра, выход сглаживающего фильтра подключен к первому входу сумматора, дополнительно введены третий канал управления положением сварочной головки, содержащий последовательно соединенные полосовой фильтр, настроенный на утроенную частоту колебаний электрода, второй синхронный детектор, второй фильтр низкой частоты, первый усилитель с переменным коэффициентом усиления, а также утроитель частоты, выход первого усилителя с переменным коэффициентом усиления подключен ко второму входу сумматора, второй вход второго синхронного детектора подключен к выходу утроителя частоты, вход которого подключен к выходу датчика фазы сканирования; канал управления коэффициентами усиления усилителей, содержащий последовательно соединенные полосовой фильтр, настроенный на удвоенную частоту колебаний электрода, выпрямитель, третий фильтр низкой частоты, инвертор и второй усилитель с переменным коэффициентом усиления, при этом выход третьего фильтра низкой частоты соединен с управляющим входом первого усилителя с переменным коэффициентом усиления и с входом инвертора, выход инвертора соединен с управляющим входом второго усилителя с переменным коэффициентом усиления, вход которого подключен к выходу первого фильтра низкой частоты, выход второго усилителя с переменным коэффициентом усиления подключен к третьему входу сумматора, при этом входы третьего канала управления положением сварочной головки и канала управления коэффициентами усиления усилителей подключены к выходу датчика сварочного тока.

В устройстве автоматического управления положением сварочной головки полосовой фильтр, фильтр низкой частоты, сумматор, синхронный детектор, усилитель, усилитель с переменным коэффициентом усиления, инвертор, привод, датчик фазы сканирования, датчик сварочного тока, датчик сварочного напряжения, устройство сравнения аналоговых сигналов, сглаживающий фильтр, удвоитель частоты, утроитель частоты, триггер Шмитта, инерционные звенья первого порядка, аналоговый ключ используются по своему прямому назначению и широко известны в электротехнике. Однако совокупность соединений, указанная выше, в патентной и научно-технической литературе не обнаружена.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где представлена структурная схема устройства автоматического управления положением сварочной головки.

Устройство автоматического управления положением сварочной головки, имеющей электрод 1, содержит первый канал управления положением сварочной головки, содержащий последовательно соединенные источник питания сварочной дуги 2, шунт сварочной цепи 3, датчик величины сварочного тока 4, полосовой фильтр 5, настроенный на частоту колебаний электрода, первый синхронный детектор 6, первый фильтр низкой частоты 7, а также датчик фазы сканирования 8, колебатель 9, при этом второй вход первого синхронного детектора 6 подключен к выходу датчика фазы сканирования 8, вход которого соединен с колебателем 9, подсоединенным к сварочной головке 1; последовательно соединенные сумматор 10, первый усилитель 11 и привод перемещения головки поперек стыка 12, второй канал управления положением сварочной головки, содержащий последовательно соединенные датчик сварочного напряжения 13, триггер Шмитта 14, аналоговый ключ 15, вход управления которого подключен к выходу датчика фазы сканирования 8, а также первое 16 и второе 17 инерционные звенья первого порядка, устройство сравнения аналоговых сигналов 18 и сглаживающий фильтр 19, при этом два выхода аналогового ключа подключены к соответствующим входам первого 16 и второго 17 инерционных звеньев первого порядка, выходы которых подключены к соответствующим входам устройства сравнения аналоговых сигналов 18, выход которого подключен к входу сглаживающего фильтра 19, выход сглаживающего фильтра 19 подключен к первому входу сумматора 10, третий канал управления положением сварочной головки, содержащий последовательно соединенные полосовой фильтр 20, настроенный на утроенную частоту колебаний электрода, второй синхронный детектор 21, второй фильтр низкой частоты 22, первый усилитель с переменным коэффициентом усиления 23, а также утроитель частоты 24, выход первого усилителя с переменным коэффициентом усиления 23 подключен ко второму входу сумматора 10, второй вход второго синхронного детектора 21 подключен к выходу утроителя частоты 24, вход которого подключен к выходу датчика фазы сканирования 8; канал управления коэффициентами усиления усилителей, содержащий последовательно соединенные полосовой фильтр 25, настроенный на удвоенную частоту колебаний электрода, выпрямитель 26, третий фильтр низкой частоты 27, инвертор 28 и второй усилитель с переменным коэффициентом усиления 29, при этом выход третьего фильтра низкой частоты 27 соединен с управляющим входом первого усилителя с переменным коэффициентом усиления 23 и с входом инвертора 28, выход инвертора 28 соединен с управляющим входом второго усилителя с переменным коэффициентом усиления 29, вход которого подключен к выходу первого фильтра низкой частоты 7, выход второго усилителя с переменным коэффициентом усиления 29 подключен к третьему входу сумматора 10, при этом входы третьего канала управления положением сварочной головки и канала управления коэффициентами усиления усилителей подключены к выходу датчика сварочного тока 4.

Устройство автоматического управления положением сварочной головки работает следующим образом.

Колебатель 9 колеблет сварочную головку 1 относительно стыка свариваемых деталей. При отклонении сварочной головки 1 от стыка в сварочном токе появляются гармонические составляющие разных частот, которые снимаются с датчика сварочного тока 4, подключенного к сварочному шунту 3. Первая гармоническая составляющая совпадает с частотой колебаний электрода. Вторая гармоническая составляющая соответствует удвоенной частоте колебаний электрода. Третья гармоническая составляющая соответствует утроенной частоте колебаний электрода. Первая гармоническая составляющая выделяется полосовым фильтром 5, выпрямляется первым синхронным детектором 6 с учетом сигнала, поступающего с датчика фазы сканирования 8. В результате на выходе первого синхронного детектора 6 формируется выпрямленный сигнал определенной полярности, зависящий от направления отклонения головки 1 от стыка. Этот сигнал сглаживается первым фильтром низкой частоты 7 и поступает на третий вход сумматора 10 через второй усилитель с переменным коэффициентом усиления 29, величина усиления которого определяется в зависимости от сигнала на его управляющем входе. Третья гармоническая составляющая выделяется полосовым фильтром 20, выпрямляется вторым синхронным детектором 21 с учетом сигнала, поступающего с датчика фазы сканирования 8 через утроитель частоты 24. В результате на выходе второго синхронного детектора 21 по гармонической составляющей на утроенной частоте формируется выпрямленный сигнал определенной полярности, зависящий от направления отклонения головки 1 от стыка. Этот сигнал сглаживается вторым фильтром низкой частоты 22 и поступает на второй вход сумматора 10 через первый усилитель с переменным коэффициентом усиления 23, величина усиления которого определяется в зависимости от сигнала на его управляющем входе. Вторая гармоническая составляющая выделяется полосовым фильтром 25, выпрямляется выпрямителем 26, и сглаживается третьим фильтром низкой частоты 27, и поступает напрямую на управляющий вход первого усилителя с переменным коэффициентом усиления 23 и через инвертор 28 на управляющий вход второго усилителя с переменным коэффициентом усиления 29. С источника питания дуги 2 через датчик сварочного напряжения 13 и триггер Шмитта 14 подается сигнал коротких замыканий прямоугольной формы на вход аналогового ключа 15. В соответствии с сигналом датчика фазы сканирования 8 аналоговый ключ переключается либо на вход первого инерционного звена первого порядка 16, либо на вход второго инерционного звена первого порядка 17. В устройстве сравнения аналоговых сигналов 18 из сигнала с выхода первого инерционного звена первого порядка 16 и сигнала с выхода второго инерционного звена первого порядка 17 вырабатывается сигнал ошибки и, пройдя сглаживающий фильтр 19, подается на первый вход сумматора 10. С выхода сумматора 10 на привод перемещения головки поперек стыка 12 через усилитель 11 поступает сигнал коррекции положения сварочной головки. В результате сварочная головка начинает перемещаться к линии стыка.

При движении электрода точно по стыку гармонические составляющие первой и третьей гармонических составляющих отсутствуют. Отклонения стыка от траектории движения головки приводит к появлению не только первой гармоники, но и третьей. Управляющий сигнал формируется одновременно по первой и третьей гармоническим составляющим с учетом среднего числа коротких замыканий на обеих стенках стыка и амплитуды второй гармонической составляющей сварочного тока. Причем при малых отклонениях коэффициент усиления первого усилителя с переменным коэффициентом усиления 23 имеет большое значение, а второго усилителя с переменным коэффициентом усиления 29 малое значение и в корректирующем сигнале наибольшее влияние оказывает третья гармоническая составляющая сварочного тока. При больших отклонения от стыка вторая гармоническая составляющая уменьшается, в результате коэффициент усиления первого усилителя с переменным коэффициентом усиления 23 уменьшается, а второго усилителя с переменным коэффициентом усиления 29 увеличивается. При этом наибольшее влияние в корректирующем сигнале оказывает первая гармоническая составляющая сварочного тока.

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемое устройство обеспечивает более точное слежение по стыку при формировании управляющего сигнала по первой и третьей гармоническим составляющим сварочного тока, со своими весовыми коэффициентами, определяемыми амплитудой второй гармонической составляющей, с учетом коротких замыканий, чем достигается повышение качества сварного соединения.

Формула изобретения

Устройство автоматического управления положением сварочной головки, имеющей электрод, содержащее первый канал управления положением сварочной головки, содержащий последовательно соединенные источник питания сварочной дуги, шунт сварочной цепи, датчик величины сварочного тока, полосовой фильтр, настроенный на частоту колебаний электрода, первый синхронный детектор, первый фильтр низкой частоты, а также датчик фазы сканирования, колебатель, при этом второй вход первого синхронного детектора подключен к выходу датчика фазы сканирования, вход которого соединен с колебателем, подсоединенным к сварочной головке, последовательно соединенные сумматор, первый усилитель и привод перемещения головки поперек стыка, второй канал управления положением сварочной головки, содержащий последовательно соединенные датчик сварочного напряжения, триггер Шмитта, аналоговый ключ, вход управления которого подключен к выходу датчика фазы сканирования, а также первое и второе инерционные звенья первого порядка, устройство сравнения аналоговых сигналов и сглаживающий фильтр, при этом два выхода аналогового ключа подключены к соответствующим входам первого и второго инерционных звеньев первого порядка, выходы которых подключены к соответствующим входам устройства сравнения аналоговых сигналов, выход которого подключен к входу сглаживающего фильтра, выход сглаживающего фильтра подключен к первому входу сумматора, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит третий канал управления положением сварочной головки, содержащий последовательно соединенные полосовой фильтр, настроенный на утреннюю частоту колебаний электрода, второй синхронный детектор, второй фильтр низкой частоты, первый усилитель с переменным коэффициентом усиления, а также устроитель частоты, выход первого усилителя с переменным коэффициентом усиления подключен ко второму входу сумматора, второй вход второго синхронного детектора подключен к выходу утроителя частоты, вход которого подключен к выходу датчика фазы сканирования, канал управления коэффициентами усиления усилителей, содержащий последовательно соединенные полосовой фильтр, настроенный на удвоенную частоту колебаний электрода, выпрямитель, третий фильтр низкой частоты, инвертор и второй усилитель с переменным коэффициентом усиления, при этом выход третьего фильтра низкой частоты соединен с управляющим входом первого усилителя с переменным коэффициентом усиления и с входом инвертора, выход инвертора соединен с управляющим входом второго усилителя с переменным коэффициентом усиления, вход которого подключен к выходу первого фильтра низкой частоты, выход второго усилителя с переменным коэффициентом усиления подключен к третьему входу сумматора, при этом входы третьего канала управления положением сварочной головки и канала управления коэффициентами усиления усилителей подключены к выходу датчика сварочного тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1