Следящие системы с копирными датчиками прямого и непрямого действия

Недостаточное применение систем автоматической ориентации электрода по стыку при механизированной сварке объясняется глав­ным образом отсутствием или малой надежностью датчиков, при­годных для определения фактического положения свариваемого соединения в реальных условиях сварочного производства. Пробле­ма автоматизации сварочных операций с помощью следящих сис­тем — это прежде всего проблема методов и средств измерения фактического положения соединения.

По типу регулятора в системе автоматики следящие системы с копирными датчиками подразделяют на системы с регуляторами прямого и непрямого действия.

Следящие системы с регуляторами прямого действия наиболее просты, в них измерение неотделимо от управления. Сварочный инструмент (сварочная головка или горелка) имеет одну или не­сколько свободных (неприводных) подвижностей и связан непосредственно с щупом, выполненным в виде ролика или непо­движного копирного пальца. Щуп под действием пружин или сил тяжести постоянно прижат к поверхностям разделки кромок сты­ка или другим поверхностям свариваемых элементов. При одном щупе-ролике (рисунок 4.31, а) возможно направление горелки по раз­делке стыка без прихваток.

Если сварочная горелка и щуп имеют только одну подвижность, то возникает составляющая погрешности наложения шва Ак.

При копировании в двух и более точках и дополнительной под­вижности щупа относительно горелки (рисунок 4.31, б) или щупа с горелкой относительно изделия (рисунок 4.31, в) можно существенно уменьшить величину погрешности Ак (рисунок 4.31, г), а при строго прямолинейных стыках, случайным образом повернутых на неболь­шой угол, — полностью исключить ее (рисунок 4.31, д). Чтобы при до­полнительной подвижности можно было копировать стыки, со­бранные с помощью прихваток, необходимо не менее трех щупов-роликов с независимым поджатием к изделию (рисунок 4.31, в).

Устройства, схемы которых приведены рисунок 4.31 применяют при сварке преимущественно стыковых соединений с разделкой или гарантированным зазором, собранных без прихваток или на прихватках. При выполнении угловых швов эти устройства применяют при сварке в положении «в лодочку». При этом требуется также копирование по второй координате, которое осуществляют с помощью дополнительной системы с регулятором непрямого действия.

а, б, в — с одним, двумя и тремя группам и-роликам и соответственно; г, д — при наличии погрешности наложения шва Ак и ее отсутствии соответственно;

1 — подвижный элемент (подвижность), обеспечивающий корректировочное пере­мещение; 2 — звено, перемещающееся вдоль линии соединения; 3 — пружина; 4 — щуп-ролик (копирный ролик); 5 — свариваемое изделие; 6 — сварочный инструмент; 7 — дополнительный подвижный элемент; 8 — линия соединения; L_y — расстояние между сварочным инструментом и точкой копирования

Рисунок 4.31 – Схемы устройств прямого копирования для направления сварочного инструмента на линию соединения

При сварке «в угол» корректирующие перемещения могут быть направлены поперек и вдоль оси электрода или могут быть перпен­дикулярны полкам свариваемого соединения.

Прямое копирование по вертикали и под большими углами к горизонтали применяют при небольшой или частично уравнове­шенной массе перемещаемых частей (рисунок 4.32, а).

В схеме, представленной на рисунок 4.32, б, копирный ролик 1 под действием пружин, создающих силы F₁ и F₂, занимает строго ней­тральное положение (до соприкасания с изделием). Этого дости­гают благодаря тому, что сила F₂ прижимает к уступу корпуса упорную шайбу, а сила F₁ меньшая, чем сила F₂, прижимает к этой же шайбе подвижный элемент, жестко связанный с копирным роликом. Чтобы усилия, требуемые для смещения ролика из нейтрального положения в обе стороны, были равны, необходи­мо обеспечить в нейтральном положении выполнение (без учета силы тяжести подвижных частей) условия F₂ = 2F₁.

Схема, показанная на рисунок 4.32, в, позволяет реализовать пря­мое копирование поверхностей изделия в точках, расположенных сбоку от точки сварки, что наиболее просто осуществить при вы­полнении угловых швов с большими полками.

а — при угловом расположении копира и уравновешенной массе перемещаемых частей; б — то же, при неуравновешенной массе перемещаемых частей; в — при боковом расположении копиров на изделиях с большими полками;

1 — копирный ролик; 2 — свариваемое изделие; 3 — сварочная горелка; F₁ F₂ — силы сжатия пружин

Рисунок 4.32 – Схемы прямого копирования угловых швов

Недостатки регуляторов прямого действия следующие:

• невозможность применения при сварке стыковых соедине­ний без разделки и гарантированного зазора в стыке нахлесточных соединений с толщиной верхнего листа менее 3 мм;

• необходимость специальной конструкции сварочного аппарата с плавающей в направлении слежения частью, несущей сварочную горелку;

при невозможности копирования сбоку от точки сварки и нецелесообразности применения планок для вывода щупа необ­ходимо предусматривать фиксацию плавающей части аппарата перед выходом щупа из контакта с изделием на конечном участке шва, а также обеспечивать достаточно высокую жесткость конст­рукции всей манипуляционной системы, чтобы снятие усилия ко­пирования после выхода щупа из контакта с изделием не вызвало чрезмерного дополнительного смещения сварочной горелки из за­фиксированного перед этим положения.

Следящие системы с регуляторами непрямого действия свободны от указанных недостатков. Этим системам присуще разнообразие способов преобразования информации, полученной от различ­ных датчиков, в сигнал, используемый для управления положе­нием сварочной горелки. Среди таких систем в большую группу выделяют следящие системы с электромеханическими датчиками. Основная особенность электромеханических датчиков — наличие в них копирующего элемента (щупа), который под действием пружин или сил тяжести находится в контакте с копируемыми поверхностями или кромками изделия. Точка копирования может быть перед точкой сварки или сбоку от нее.

В системах непрямого копирования с электромеханическими датчиками широко распространены электромеханические датчики, позволяющие наводить сварочный инструмент на линию соедине­ния и поддерживать заданное расстояние до поверхности изделия, т.е. измерять отклонения места стыка в двух направлениях (двухкоординатный датчик). Эти датчики устанавливают под углом 30...45° к линии соединения свариваемых элементов (рисунок 4.33).

1 — сварочная горелка; 2 — сменный щуп; 3 — ось поворота щупа; 4 — первич­ные преобразователи перемещений по вертикали и горизонтали

Рисунок 4.33 – Схема установки двухкоординатного электромеханического датчика (а) и направление результирующего усилия копирования при сварке стыковых (б) и угловых швов (в, г)

Щуп электромеханического датчика прижимают к поверхности изделия с небольшой силой (1... 10 Н) в отличие от устройств пря­мого действия, где сила прижима щупа определяется в основном массой перемещаемых частей и может достигать сотен ньютонов. С увеличением силы прижима щупа электромеханического датчика к изделию возрастают вибрации сварочного аппарата или конст­рукции, увеличивается износ щупа и затрудняется сварка конце­вого участка шва после выхода щупа из контакта с изделием.

Для задач, требующих более высокой точности, разрабатыва­ют электромеханические датчики с преобразователями, имеющими линейный выход во всем диапазоне измерения или на его части. В качестве преобразователей такого типа можно применять резисторные преобразователи в виде потенциометров. Другой вид резисторных преобразователей — угольные реостаты, представляющие собой наборы (столбы) из угольных шайб. При изменении силы сжатия набора его общее электрическое сопротивление изменяет­ся за счет изменения контактных сопротивлений между шайбами. Достоинство резисторных преобразователей — малые габаритные размеры, а недостаток — нестабильность выходного сигнала из за его зависимости от влажности угольных шайб и наличия уголь­ной пыли между ними. Из резисторных преобразователей наибо­лее компактны тензорезисторные.

Среди бесконтактных преобразователей для электромеханичес­ких датчиков перспективны дифференциально-трансформаторные. Наиболее простые из них имеют линейную характеристику в зоне ±(1,5...2,5) мм от нейтрального положения. При большем рассогласовании сигнал достигает предельного значения, и наступает насыщение. Такая характеристика вполне удовлетворяет требова­нию создавать достаточно точные следящие системы.