Система автоматического направления сварочной головки с электромагнитным датчиком. Чувствительность электромагнитных датчиков к превышению кромок свариваемых деталей. Системы с использованием сварочной дуги в качестве датчика при сварке в аргоне.
Именно отсутствие таких датчиков, надежно работающих в промышленных условиях, ограничивает применение систем автоматического направления электрода по стыку и не позволяет повысить уровень автоматизации процессов дуговой сварки. Электромагнитные датчики могут быть использованы для определения положения: стыка без разделки кромок, кромки верхнего листа нахлесточного соединения, скосов кромок, для измерения расстояния до поверхности свариваемых элементов, ширины зазора, величины превышения кромок, а так же для определения положения начала и конца свариваемого изделия или прихваток. Результирующее магнитное поле датчика создается не только током, протекающим в обмотке 3, но и вихревыми токами. На выходной сигнал датчика влияют координаты стыка, отклонения геометрических параметров соединения, подготовленного под сварку, свойства материала изделия, различия электрических и магнитных свойств материала заготовок, вызванные изменениями химического состава и условиями предварительной механической обработки, характеристики окружающей среды и процесса. Один из них основан на различии фазы сигнала, получаемого от датчика, если он смещен относительно стыка при отсутствии или при наличии превышения кромок.
Введение
Датчики положения свариваемого стыка являются основным узлом систем автоматического направления электрода по стыку. Именно отсутствие таких датчиков, надежно работающих в промышленных условиях, ограничивает применение систем автоматического направления электрода по стыку и не позволяет повысить уровень автоматизации процессов дуговой сварки. Над созданием датчиков положения стыка работают как в нашей стране, так и за рубежом, однако и сегодня эту проблему нельзя считать решенной. Основными трудностями на пути ее решения являются: высокий уровень электромагнитных помех при дуговой сварке; высокая температура в зоне сварочной дуги; сильная загрязненность и задымленность атмосферы в зоне сварки; высокая интенсивность светового излучения дуги; широкий диапазон допусков на сборку деталей под сварку.
Система автоматического направления сварочной головки с электромагнитным датчиком
Они наиболее распространенные. Электромагнитные датчики могут быть использованы для определения положения: стыка без разделки кромок, кромки верхнего листа нахлесточного соединения, скосов кромок, для измерения расстояния до поверхности свариваемых элементов, ширины зазора, величины превышения кромок, а так же для определения положения начала и конца свариваемого изделия или прихваток. Выбирая различные положения датчиков относительно поверхностей свариваемых элементов, можно использовать эти датчики при сварке различных соединений и их разновидностей.
Простейший электромагнитный датчик состоит из Ш-образной магнитной системы и трех обмоток. Обмотка 3 расположенная на среднем стержне, питается от источника тока повышенной чистоты. Переменная магнитное поле, создаваемое обмоткой, наводит в свариваемом изделии вихревые токи. Непроводящей зазор между деталями разделяет вихревые токи на два контура, показанных на рисунке 1. Результирующее магнитное поле датчика создается не только током, протекающим в обмотке 3, но и вихревыми токами.
При симметричном относительно датчика расположении зазора контуры вихревых токов равны, симметричны и l1=l2.
Рис. 1 Принцип работы электромагнитного датчика
Соответственно равны магнитные потоки ф1 и ф2 и наводимые ими э.д.с. в измерительных обмотках 1 и 2. При встречном включении э.д.с. обмоток 1 и 2 компенсируется, и сигнал на выходе датчика равен 0. При несимметричном расположении датчика относительно стыка (Рис.1) контуры вихревых токов оказываются различными, токи l1=l2. Это приводит к нарушению равенства магнитных потоков ф1 и ф2 и возникновению на выходе датчика э.д.с. Е1 сигнализирующей об отклонении средней плоскости датчика от плоскости стыка. Направление отклонения датчика от стыка видно по сдвигу фазы э.д.с. относительно тока, протекающего в обмотке 3. При изменении направления отклонения на противоположное фазовый сдвиг э.д.с. изменяется на 180 градусов.
Электромагнитные датчики наиболее широко применяют для определения положения стыка при сварке стыковых соединений без разделки кромок. На выходной сигнал датчика влияют координаты стыка, отклонения геометрических параметров соединения, подготовленного под сварку, свойства материала изделия, различия электрических и магнитных свойств материала заготовок, вызванные изменениями химического состава и условиями предварительной механической обработки, характеристики окружающей среды и процесса. При сварке стыковых швов значительное влияние на выходной сигнал датчика оказывает взаимное превышение кромок.
Чтобы уменьшить погрешность датчика, возникающую при превышении кромок, используют различные схемные и конструктивные способы компенсации. Один из них основан на различии фазы сигнала, получаемого от датчика, если он смещен относительно стыка при отсутствии или при наличии превышения кромок. Для компенсации превышений фаза опорного сигнала, подаваемого на фазовый детектор, подбирается так, чтобы она отличалась на 90 градусов от составляющей фазы выходного сигнала датчика, вызванной превышением кромок. При этом выходной сигнал датчика практически не зависит от величины превышения кромок.
Кроме того, чтобы компенсировать превышение кромок, магнитопровод датчика можно выполнить из трех частей (Рис.2) и центральной Ш-образной и двух боковых П-образных, отдельных от центральной немагнитной прокладкой. На среднем стержне расположена обмотка возбуждения l. На промежуточных частях Ш-образного магнитопровода расположены измерительные, дифференциально включенные обмотки 2, а на крайних магнитопроводах размещены дополнительные (компенсирующие) обмотки 3, соединенные встречно-последовательно со смежными измерительными обмотками. Сигнал на выходе дополнительных обмоток зависит только от изменения превышения кромок и компенсирует составляющую сигнала измерительных обмоток зависящую от превышения кромок. В результате выходной сигнал датчика определяется его положением относительно стыка и не зависит от превышения кромок.
В последние годы появляются системы со сканирующими электромагнитными датчиками, которые в сочетании с обработкой сигнала датчика средствами вычислительной техники позволяют расширить возможности электромагнитного метода измерения, чтобы управлять положением электрода относительно свариваемого соединения.
Для рассмотренных электромагнитных датчиков частота напряжения питания обмотки возбуждения может быть от одного до нескольких десятков килогерц, что позволяет свести к минимуму влияние на выходной сигнал датчика электромагнитных полей промышленной частоты.
Электромагнитные датчики строятся на принципе изменения соотношения магнитных потоков отдельных участков магнитопровода в зависимости от их магнитного сопротивления. Они делятся на индуктивные и индукционные.
Схема индуктивного электромагнитного датчика приведена на рис. 3. Полное сопротивление каждой из обмоток W1 и W2 зависит от магнитного потока, замыкающегося через них. Так как магнитный поток обмотки W1 замыкается через свариваемый стык, то ее сопротивление больше, чем сопротивление обмотки W2, магнитный поток которой замыкается через сплошной металл. Эту разность сопротивлений обмоток выявляет специальная схема, подключаемая к датчику, и вырабатывает необходимый управляющий сигнал.
Этот датчик работает по принципу сравнения ЭДС, наводимых во вторичных обмотках W2" и W2". Эти ЭДС равны между собой, когда равны магнитные потоки, замыкающиеся через каждую из обмоток. Так как поток обмотки W2" замыкается через свариваемый стык, то ее ЭДС меньше ЭДС обмотки W2". Напряжение на выходе датчика, равное алгебраической сумме ЭДС обмоток W2" и W2", является управляющим для системы направления электрода по стыку. датчик сварка аргон электромагнитный
Электромагнитные датчики строятся не только по принципу улавливания разности магнитных потоков, но и по принципу измерения индуктивности магнитного поля, образующегося за счет краевого эффекта в зоне стыка. Такие датчики называются датчиками краевого эффекта. Они улавливают своими измерительными катушками разность плотностей магнитных потоков на прилегающих краях свариваемых деталей. Этот принцип позволяет устанавливать датчик на значительном (10-12 мм) расстоянии от свариваемой поверхности, что снижает чувствительность датчика к превышению кромок свариваемых деталей.
Чувствительность электромагнитных датчиков к превышению кромок свариваемых деталей является их основным недостатком. Для устранения этого недостатка разработаны различные варианты датчиков, позволяющих значительно снизить погрешность слежения. Одним из способов уменьшения чувствительности электромагнитных датчиков к превышению кромок является подбор частоты напряжения, питающего катушки датчика. В основе этого способа лежит зависимость фазы векторов напряжения и комплексного сопротивления катушек датчика от частоты питания, смещения стыка и перекоса кромок. Подбором частоты можно обеспечить разделение сигналов от положения стыка и превышения кромок по фазе и с помощью фазочувствительной схемы скомпенсировать погрешность. Существуют и конструктивные способы компенсации влияния превышения кромок.
В качестве измерительных устройств средств адаптации роботов для сварки перспективны электромагнитные датчики положения соединения, подготовленного под сварку. Применение этих датчиков накладывает ограничения на технику сварки роботами, а именно: не позволяет вести сварку с текущей адаптацией на угловых участках внутри коробчатых конструкций, для текущей адаптации при сварке угловых соединений внутри и снаружи необходимо изменение положения датчиков, существенно ограничивается возможность сварки с поперечными колебаниями горелки.
При дуговой сварке перспективны сенсорные системы с использованием сварочной дуги в качестве датчика расстояние до поверхности свариваемых элементов. Сканирование дуги поперек линии соединения при сварке угловых швов позволяет определить смещение оси электрода в поперечном направлении и вдоль оси электрода. Информация о поперечном смещении содержится в разности сварочных токов в крайних точках или разности интегральных значений токов за время нахождения электрода слева и справа от среднего положения. Информация о продольном смещении электрода содержится в разности суммарного значения указанных токов и некоторой эталонной величины. Колебание электрода осуществляются манипулятором сварочной горелки. Для задания колебаний необходимо при обучении ввести в память их амплитуду и частоту, при этом система управления обеспечивает ориентацию колебаний в пространстве перпендикулярно к линии сварочного движения.
Сенсорные системы с использованием сварочной дуги в качестве датчика имеют основные достоинства, непосредственное измерение в точке сварки, что исключает погрешности, вызванные несовпадением точки измерения и точки сварки, управление положением непосредственно сварочной дуги, а не горелки, отсутствие в зоне сварки дополнительных устройств для измерения положения линии соединения.
Системы с использованием сварочной дуги в качестве датчика наиболее эффективны при сварке в аргоне и аргон содержащих смесях защитных газов, когда дуговой процесс наиболее стабилен. При сварке в CO2 применение этого способа затруднено в виду не стационарности дугового процесса.
