Назад: 7.3 Регулирование процесса дуговой сварки

7.4. Регулирование процесса контактной сварки

Используя математическую модель процесса контактной сварки, по установившемуся к моменту включения сварочного тока усилию сжатия можно определить необходимую энергию для получения заданного диаметра ядра d_я0:

Q₀ = (d_я³ – а₀ –а₁F_i)a₂. (7.14)

При этом задача регулирования сводится к стабилизации энергии, выделяемой в сварочном контакте, до рассчитанного значения Q₀.

Энергию, выделяемую при сварке на низкочастотных контактных машинах и машинах постоянного тока, целесообразно регулировать, изменяя угол включения вентилей силового блока. Энергия, выделяемая между электродами, при постоянном времени сварки зависит от сопротивления электрод–электрод, напряжения питания сварочной машины и cosj электрической цепи машины.

Известно, что при сварке алюминиевых и магниевых сплавов сопротивление участка электрод–детали–электрод резко уменьшается в течение первого периода сварочного тока (в два и более раза), а далее, независимо от времени сварки, изменяется незначительно – не более чем на 20% от его значения в конце первого периода (рис.7.1,а,б). Можно предполагать, что при стабильном напряжении сети и изменении сопротивления электрод – детали – электрод энергия, выделяемая между электродами в течение всего времени сварки, определяется постоянной времени силовой электрической цепи контактной машины, и между величинами энергии в отдельные периоды тока, начиная со второго периода, существует значительная корреляционная связь.

Рис. 7.1. Изменение сопротивления участка электрод–электрод при контактной точечной сварке легких сплавов для АМг6 (а) и МА2-1 (б): L – шаг между сварными точками, d – толщина свариваемого шва

При экспериментальной проверке оказалось, что погрешность зависимости:

Q =k_i Q_i, (7.15)

где Q – энергия, выделенная за время сварки; Q_i – энергия, выделенная за время до окончания i-го периода тока (i ³ 2); k_i – постоянный коэффициент, составляет не более 3 %.

Регулировочная характеристика управляемого выпрямителя в диапазоне изменения энергии на ±20 % может быть описана с погрешностью не более 2,5% зависимостью DQ = c Dx, где DQ – коррекция энергии, выделяемой в сварочном контакте; Dx – сигнал, выдаваемый на схему управления вентилями выпрямителя; с – коэффициент.

Таким образом, с учетом корректирующего воздействия Dx энергия, выделяемая в сварочном контакте, определяется выражением

Q = c Dx +k_iQ_i. (7.16)

Алгоритм регулирования процесса точечной сварки на низкочастотных машинах и машинах постоянного тока имеет по математической модели следующий вид:

d_я³ = а₀ + а₁F+a₂Q, (7.17)

где а₀, а₁, a₂ – постоянные коэффициенты, которые определяются маркой сплава, толщиной свариваемых деталей и заданным режимом сварки; F– среднее за время сварочного импульса усилие сжатия; Q – энергия, выделяемая в сварочном контуре за время сварки.

Такая структура модели выбрана в связи с тем, что нестабильность величины F в пределах допусков меньше влияет на диаметр литого ядра сварочной точки, чем нестабильность энергии Q. При включении сварочного тока для заданного диаметра d_я0 и установившегося значения сварочного усилия сжатия из (7.14) определяют требуемую для качественной сварки энергию Q_т, выделяемую в сварочном контакте. После прохождения двух периодов сварочного тока (0,04 с) из выражения (7.16) определяют значение коррекции Dx, сигнал о которой передают в блок управления вентилями выпрямителя.

Очевидно, что коэффициенты с и k_i в (7.16) зависят от марки свариваемого сплава, толщины свариваемых деталей, режима сварки и параметров силовой электрической цепи контактной машины. Кроме того, эти коэффициенты могут меняться в процессе сварки изделия, например, из-за изменения сопротивления вторичного контура машины. В связи с этим предусмотрены автоматическая настройка и слежение за оптимальными значениями коэффициентов модели (7.16) (адаптация модели).

Идея адаптации заключается в следующем. При настройке режима сварки по зависимости (7.15) определяют коэффициенты k_i. В ходе регулирования коэффициенты с и k_i уточняют с учетом отклонения энергии, которая выделилась за время сварки, от энергии, которая требуется для качественной сварки:

DQ_p = Q – Q₀,

где DQ_p – ошибка регулирования.

Задача адаптации – найти такие значения коэффициентов k_i, чтобы значение ошибки DQ_p стремилось к нулю.

Для адаптации может быть использован оптимальный одношаговый алгоритм:

(7.18)

где w₁, w₂ – весовые коэффициенты.

Применение этого алгоритма позволяет практически полностью исключить влияние дрейфа параметров объекта на точность регулирования. Оптимальное значение коэффициента фильтрации a равно 0,25. Погрешность регулирования при этом составляет от 3% для стационарного объекта до 3,7% для объекта с изменяющимися во времени параметрами. Необходимо отметить, что указанная погрешность достигнута для уровня возмущений, при которых в случае отсутствия регулятора средняя относительная погрешность отработки требуемой для качественной сварки энергии составляет соответственно 12 и 30%. Практически такая же точность слежения может быть достигнута и при использовании метода стохастической аппроксимации. Однако в этом случае оптимальное значение коэффициента фильтрации a зависит от скорости дрейфа параметров объекта (рис.7.2). Следовательно, требуется слежение за оптимальным значением a. Кроме того, оптимальный одношаговый алгоритм идентификации с успехом может быть использован для подстройки коэффициентов модели:

d_я = a₀ +a₁F + a₂Q+a₃Q², (7.19)

где a₀, a₁, a₂, a₃ – коэффициенты, которые определяются маркой сплава, толщиной свариваемых деталей и заданным режимом; F – среднее за время сварочного импульса усилие сжатия; Q – энергия, выделяемая в сварочном контакте за время сварки.

Рис. 7.2. Зависимость погрешности регулирования энергии:

а и в – для оптимального одношагового алгоритма идентификации; б – для метода стохастической аппроксимации;

1 – ε₁ Q_бp=12%; 2 – ε₂ Q_бp=l8%; 3 – ε₃ Q_бp=30%

Погрешность регулирования энергии, выделяемой в сварочном контакте, зависит от коэффициента фильтрации при различной скорости дрейфа параметров объекта для оптимального одношагового алгоритма идентификации (рис.7.2, а, в) и метода стохастической аппроксимации (б) (εQ_бр – погрешность регулирования в случае, когда адаптация регулятора выключена).

Относительная погрешность регулирования диаметра ядра сварной точки при сварке на низкочастотной контактной машине при различных возмущениях показана на рис.7.3 и, как видно, не превышает 6%.

Как известно, для конденсаторных точечных машин характерна высокая точность отработки электрических параметров режима. С учетом этого регулирование осуществляют по напряжению зарядки конденсаторов перед сваркой каждой очередной точки. Значение коррекции энергии для сварки j-й точки относительно энергии Q_j.i, выделенной при сварке j-1-й точки, будет:

ΔQ_j=Q_тi-Q._j-i. (7.20)

Рис. 7.3. Погрешность регулирования диаметра ядра сварной точки при изменении сварочного усилия сжатия F_c(a, б), шага между точками L_в, радиуса заточки электродов R_з(г), напряжения сети U_с (д, е); 1, 2 - возмущения

Так как энергия, накапливаемая на конденсаторах, связана с напряжением зарядки U зависимостью Q=0,5CU², то значение коррекции напряжения перед сваркой j-й точки определим из выражения

ΔU_i =QT_j - Q_j-i/CU_i-1 , (7.21)

где С – емкость батареи конденсаторов; U_j-i – напряжение, которое было задано на конденсаторах перед сваркой j-1-й точки.

В результате перед включением тока осуществляется дозарядка конденсаторов до напряжения U_j= U_{j- i}+ΔU_j.

Для повышения точности регулирования необходимо в процессе сварки следить за значением С. Такое слежение осуществляют с помощью алгоритма оценки скользящего среднего после сварки каждой точки по значению ошибки регулирования энергии:

C_j = C _j-1+ a (Q_тj - Q_j)/(2U_j²). (7.22)

Оптимальное значение параметра a в (7.22) в общем случае должно быть рассчитано с учетом функций случайных возмущений, действующих на процесс. Как показали экспериментальные исследования, допустимо считать его постоянным и равным 0,5.

При использовании описанного алгоритма регулирования процесса при конденсаторной сварке и контактном сопротивлении деталей в пределах допусков погрешность отработки диаметра ядра составляет менее 6 % при отклонении усилия сжатия на ±20 %, расстояния между точками на ±25 %, радиуса заточки электродов на 25 или 50 %.

Вопросы для самоконтроля

Далее: Глава 8 САУ ПРОЦЕССАМИ КОНТАКТНОЙ И ДУГОВОЙ СВАРКИ

8.1 Характеристики систем управления процессом сварки