Диссертация (Разработка методики адаптации технологии автоматической сварки корневого слоя шва кольцевых соединений магистральных трубопроводов), страница 4

1.7).ВОЗМУЩЕНИЯ ПРОЦЕССАРис. 1.7.Схема процесса сварки корневого слоя шва как объекта управленияВыходныехарактеристикиобъектауправленияопределяютсянормативной документацией, и, в случае корневого слоя, представляют собойсварное соединение с отсутствием геометрических дефектов формирования20(утяжины, провисы, прожоги, непровары, несплавления) и с определённойформой обратного валика (высота, ширина).Установлениевзаимосвязимеждууказаннымивходами-выходамисистемы представляет собой задачу реализации адаптивного управленияпроцессом сварки корневого слоя шва.Существует несколько способов построения подобных систем. Виностранной литературе [10,11] принято разделять задачу на три раздела:1.

Реализация и интеграция следящих устройств (устройств измеренияхарактерных возмущений процесса)2. Разработка алгоритмов управления (установления взаимосвязи междувозмущениямипроцессаиуправляющимивоздействиям,обеспечивающими получение требуемых выходных характеристикобъекта)3.

Реализация управляющих устройств (реализация разработанныхалгоритмов на оборудовании и рассмотрение вопросов динамикисистем)Схожим образом сформулирована задача в работе [12], где также отмеченанеобходимость управления процессом сварки путём использования датчиков,регистрирующих возмущения технологического процесса обусловленныевозмущениями расположения и размеров геометрии разделки. Данныевозмущения возникают ввиду действия различных факторов:1.

Неточности сборки свариваемых деталей, вызванные, в частности ихбольшими размерами и влиянием предыдущих технологическихопераций.2. Неточности обработки кромок, например, при снятии фаски с трубы.3. Тепловые деформации и коробления деталей в процессе сварки.21Последовательно, вслед за интеграцией следящих систем, необходимаобработка, получаемой с сенсоров информации в реальном времени ивычисление управляющих воздействий, что предлагаетсяосуществлятьпосредством адекватных математических моделей, связывающих параметрырежима сварки и параметры качества сварного соединения.В работе [13] формирование сварного соединения рассмотрено какрезультат функционирование системы «источник питания – дуга – сварочнаяванна», определены возмущения действующие в каждом и контуров, а именновозмущения режимов сварки, геометрии разделки (центр стыка, зазор, толщина),структурные и химические неоднородности металла.

Отметим, предложенную вданной работе трехконтурную схему управления сварочным процессом, вкоторой задачи управления были разделены на траекторную задачу (наведениегорелки на стык), задачу управления формированием шва и задачупрогнозирование дефектов в шве (Рис. 1.8).Рис. 1.8.Структурная схема трёхконтурной системы управления сваркой [13]22Доказана независимость данных задач, что вырабатывать подходы куправлению процессами с большим числом взаимосвязанных параметров, ккоторым, вне сомнений, относится процесс сварки корневого слоя шва. Такимобразом, отметим, что построение адаптивной сварочной системы неразрывносвязано с решением следующих задач:1.

Выбор/разработка и интеграция систем слежения за характернымивозмущениями процесса, обработка получаемых данных.2. Разработка алгоритмов управления, направленных на синтез законовуправления,обеспечивающихполучениесварногосоединениявсоответствии с имеющимися требованиями.Существующие пути решения указанных задач представлены в обзоре вследующих разделах данной главы.1.2.2. Обзор способов сбора данных о процессе дуговой сварки и применяемыхследящих системСистемы слежения и измерительные системы для дуговой сварки должныполучать информацию о свариваемом соединении, и в частности, геометриисобранного стыка.

Применение датчиков для дуговой сварки в настоящее времяподразумевает измерение необходимых параметров в режиме реальноговремени, то есть одновременно с процессом сварки (в темпе с процессом) дляисключения влияния сварочных деформаций на геометрию стыка или смещениенаправляющих элементов оборудования, например, смещение направляющегопояса сварочной головки.Ввиду тяжелых условий работы (высокие температуры, интенсивноесветовоеизлучение,специализированныхэлектромагнитныесистемболеепомехи)целесообразно.применениеНаиболеераспространёнными [10] в настоящее время способами сбора данных являютсясистемы слежения триангуляционного типа и дуговые сенсоры.23Системы слежения с дуговым сенсоромОдним из перспективных методов получения информации об изменениигеометрии стыка – это обработка информации об изменении тока и напряжениясварки, при этом в роли сенсора выступает сама дуга [9,14].Согласно [10], примерное соотношение между напряжение на дуге ( ),сварочным током ( ) и вылетом электрода ( ) определяется по следующемувыражению:где…/,- это константы, определяющиеся проволокой, газом ихарактеристиками сварочного источника питания.

В большинстве случаезадачей источника питания является подержание постоянного напряжения, азначит более стабильного сварочного процесса. Поэтому, если изменяется, тосварочный ток Также будет меняться, в большинстве случаев пропорциональновозмущению но с противоположным знаком. Данное явление используется вроботизированной сварки для выполнения колебаний горелки поперёк стыка. Вслучае углового соединения или стыкового с разделкой кромок вылет электродабудет меняться и значит будет меняться сварочный ток, что позволяетотслеживать положение стыка.Дуговые датчики слежения наиболее эффективны при использовании вкачестве основы системы автоматического наведения сварочной горелки налинию свариваемого стыка.Появление систем автоматического наведения электрода существеннооблегчило создание автоматических сварочных установок, но потребовалоболее сложных и быстродействующих систем обработки информации, которыенаилучшим образом реализуются в цифровых системах управления ироботизированных комплексах.

Информацию о положении сварочногоэлектрода относительно оси стыка получают, измеряя параметры сварочногопроцесса, изменяющиеся в зависимости от времени и положения электрода, и24сравнивая результаты этих измерений. Таким методом можно получитьданные, в том числе, и о параметрах самого стыка (угол разделки, шириназазора).Для получениянаиболее полной информации лучше всегоиспользовать датчики со сканированием дуги поперек стыка.Способ слежения с дуговым сенсором подразумевает разработкукомплексной математической модели, позволяющей на основе анализагармоник тока и напряжения сварки, кратных частоте колебаний электрода вразделке получать информацию о её параметрах.Подобные сенсоры нашли применение в роботизированных системах[15,16], позволяя адаптировать траекторию перемещения робота в случаевозникновения сварочных деформаций и смещения линии стыка (Рис.

1.9).Рис. 1.9.Принцип определения положения стыка с использование дугового сенсора(компания Fanuc Robotics, США, [15])При всех достоинствах дуговых сенсоров, данный тип следящих систем непозволяет получать полноценную информацию о геометрии собранного стыка,особенно в случае сложных разделок кромок, которые характерны для сваркитрубопроводов.Системы слежения триангуляционного типаОптические системы слежения триангуляционного типа относятся кперспективному классу активных систем слежения [11], использующиелазерную подсветку для получения изображения свариваемых кромок.25Основными элементами системы слежения триангуляционного типа являютсялазерный осветитель и видеокамера.Лазерный луч может выполнять сканирующее движение поперёк стыка,или рассеиваться на разделку кромок с помощью цилиндрической призмы (Рис.1.10).

Используются также различные модификации способа, например,лазерная подсветка может быть не линейной, а, например, круглой, или их можетбыть несколько для получения 3D профиля детали.Отражённое от объекта измерения излучение собирается объективомкамеры на фотоприёмник (как правило ПЗС матрицу). В зависимости от того,какой пиксель детектора подсвечен, определяется расстояние до объекта.ЛазерКамераСобранный стыкРис. 1.10.Принцип оптической триангуляции для измерения геометрии кромокДля получения необходимой информации, необходима разработка иприменение алгоритмов обработки изображения, получаемых с камеры сенсора[10,13].

Данные алгоритмы, как правило, включают в себя, следующие основныешаги (Рис. 1.11).26ДатчикЛазернаяподстветкаУгловое соединение1. Оцифровка изображение и удалениепомех2. Фильтрация изображения иреконструкция геометрии стыкапосредством сопоставления с типомразделки4.Реконструкция геометриисоединения3. Определение контрольных точекразделкиРис. 1.11.Порядок обработки изображения стыка в системах слежениятриангуляционного типа [10]Процессор сигналов обрабатывает получаемое изображение в зависимостиот типа разделки или соединения, что, позволяет определить положение стыкаотносительно сенсора, который, в свою очередь, закреплён от инструмента(сварочной горелки) на фиксированном/известном расстоянии.Использование подобных систем позволяет отслеживать геометрическиепараметры как свариваемого стыка, в число которых, в зависимости от типаразделки входят зазор, перекос, геометрия кромок, центр разделки [9,14], так иуже сваренного шва (высота и ширина усиления) [17].Оптические сенсоры получили широкое распространения в задачахавтоматической [18–21] и роботизированной сварки [22] при обеспечении27наведения инструмента на стык и автоматизации заполнения разделкинаплавляемым металлом.В настоящее время наиболее распространено использование указанныхсистем в роботизированной сварке для наведения горелки на свариваемый стык,что позволят практически исключить процесс обучения робота.

Поэтому,существующие системы слежения для роботизированной сварки снабжаютсянеобходимыми для интеграции с роботами интерфейсами [23,24].В случае автоматической сварки, актуальной задачей является задачаоптимизации режима измерения объекта и адаптация измеряемых параметров, атакже их информативных признаков, под специфику решаемой задачи.1.2.3. Обзор подходов к формализации законов и алгоритмов адаптивногоуправления процессом дуговой сваркиУстановление взаимосвязи между входными и выходными параметрамипроцесса сварки или получение законов управления является ключевымаспектом в решении задачи адаптивного управления автоматическим сварочнымоборудованием.Сложностьданнойзадачизаключаетсявтом,чтосваркаэтомногокритериальный процесс с множеством входных и выходных параметров,так называемый MIMO процесс (англ., Multiple Input Multiple Output [11]),нелинейный, меняющийся во времени, охватывающий множество практическихобластей: материаловедение, химия, тепловые процессы и др.