Стабилизация скорости плавления электрода при роботизированной дуговой сварке
Рассмотрен один из подходов к снижению внешних возмущений на скорость плавления электрода при роботизированной дуговой сварке. Изложена процедура синтеза структуры компенсирующего контура на основе принципа инвариантности. Приведены результаты компьютерного моделирования. The paper deals with one of...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2008 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2008
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100668 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Стабилизация скорости плавления электрода при роботизированной дуговой сварке / Г.А. Цыбулькин // Автоматическая сварка. — 2008. — № 12 (668). — С. 13-16. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860252006355042304 |
|---|---|
| author | Цыбулькин, Г.А. |
| author_facet | Цыбулькин, Г.А. |
| citation_txt | Стабилизация скорости плавления электрода при роботизированной дуговой сварке / Г.А. Цыбулькин // Автоматическая сварка. — 2008. — № 12 (668). — С. 13-16. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Рассмотрен один из подходов к снижению внешних возмущений на скорость плавления электрода при роботизированной дуговой сварке. Изложена процедура синтеза структуры компенсирующего контура на основе принципа инвариантности. Приведены результаты компьютерного моделирования.
The paper deals with one of the approaches to reducing the external impacts on electrode melting rate in robotic arc
welding. The procedure of synthesizing the structure of a compensating contour on the basis of invariance principle is set
forth. Results of computer simulation are given.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:44:33Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791.753
СТАБИЛИЗАЦИЯ СКОРОСТИ ПЛАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДА
ПРИ РОБОТИЗИРОВАННОЙ ДУГОВОЙ СВАРКЕ
Г. А. ЦЫБУЛЬКИН, д-р техн. наук (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Рассмотрен один из подходов к снижению внешних возмущений на скорость плавления электрода при роботизи-
рованной дуговой сварке. Изложена процедура синтеза структуры компенсирующего контура на основе принципа
инвариантности. Приведены результаты компьютерного моделирования.
К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая сварка, роботизация, стаби-
лизация режимов, компенсация возмущений, структурный
синтез
Как известно, основными дестабилизирующими
факторами при автоматической дуговой сварке
плавящимся электродом являются непредсказуе-
мые изменения: а) напряжения на выходных клем-
мах источника сварочного тока; б) скорости по-
дачи электродной проволоки; в) расстояния меж-
ду торцом токоподводящего мундштука и свобод-
ной поверхностью сварочной ванны. Вопросам
уменьшения влияния этих факторов на качество
сварных соединений посвящено много работ, в
которых предложен ряд интересных подходов [1–
8], общая идея которых сводится к стабилизации
тем или иным способом параметров режима ду-
говой сварки. В работе [7] введены перекрестные
связи между напряжением источника сварочного
тока и скоростью подачи электродной проволоки,
частично стабилизирующие указанные парамет-
ры. Для более существенного снижения влияния
дестабилизирующих факторов в работе [8] пред-
ложено использовать принцип поглощения, в ос-
нове которого лежит компенсация внешних воз-
мущений за счет введения в структурную схему
сварочного контура специально синтезированных
компенсационных связей.
Между тем, при роботизированной дуговой
сварке появляется принципиальная возможность
компенсации вредного влияния дестабилизирую-
щих факторов без структурных изменений в са-
мом сварочном контуре. В частности, возникаю-
щие флуктуации напряжения на выходных клем-
мах источника сварочного тока в некоторых слу-
чаях можно скомпенсировать путем корректиру-
ющего управления расстоянием между торцом го-
релки, расположенной в захватном устройстве
промышленного робота, и свободной поверх-
ностью сварочной ванны в функции указанного
напряжения.
В настоящей статье рассматривается задача
синтеза структуры компенсирующего контура и
алгоритма корректирующего управления положе-
нием сварочной горелки с помощью манипуля-
ционного робота на основе текущей информации
об изменении напряжения источника сварочного
тока.
Представим математическую модель свароч-
ного контура в виде структурной схемы (рис. 1),
где введены следующие обозначения: ve — ско-
рость подачи плавящегося электрода относитель-
но сопла горелки; vm — скорость плавления элек-
трода; ∆v = ve – vm; H — расстояние между торцом
токоподводящего мундштука и свободной повер-
хностью сварочной ванны; h — вылет электрода;
l — длина дугового промежутка; E ≡ dua/dl — нап-
ряженность электрического поля в столбе дуги;
ua — напряжение на дуге; u0 — сумма приэлек-
тродных падений напряжений; us — напряжение
на выходных клеммах источника сварочного тока;
∆u = us – ua – u0; M ≡ dvm/di — крутизна характе-
ристики плавления электрода при номинальных
значениях сварочного тока iном и вылета электрода
hном; R* = R + Sa – Ss, где R — суммарное сопро-
тивление подводящих проводов, вылета электрода
и скользящего контакта в мундштуке горелки; Sa ≡
≡ dua/di; Ss ≡ dus/di — крутизна вольт-амперных
характеристик дуги и источника сварочного тока
при номинальном значении тока iном; L — ин-
дуктивность сварочного контура; D = d/dt — опе-
ратор дифференцирования.
В соответствии со структурной схемой, пред-
ставленной на рис. 1, запишем уравнение ско-
рости плавленого электрода в операторной форме
vm = W⎛
⎝
ve – DH + 1E Dus⎞⎠
, (1)
© Г. А. Цыбулькин, 2008 Рис. 1. Структурная схема сварочного контура
12/2008 13
где
W = W(D) = 1
TeTsD
2 + TsD + 1
; Te = L
R∗
; Ts =
R∗
EM .
Из выражения (1) и рис. 1 видно, что внешние
возмущения, действующие на скорость ve, рас-
стояние Н и напряжение us, могут привести к от-
клонению скорости плавления электрода vm от ее
номинального значения, что естественным обра-
зом может сказаться на качестве свариваемого со-
единения. При роботизированной дуговой сварке
флуктуации скорости подачи электродной прово-
локи ve, как правило, незначительны. Непредска-
зуемые же изменения напряжения us на выходных
клеммах источника сварочного тока чаще всего
связаны с нестационарностью нагрузки в про-
мышленной электрической сети. Поэтому рас-
смотрим случай, когда ve = const, а возмущение
номинального режима дуговой сварки вызвано
кратковременным изменением напряжения us.
Проанализировав выражение (1), нетрудно за-
метить, что для обеспечения независимости ско-
рости плавления электрода vm от флуктуаций us
достаточно выполнить условие
1
E Dus – DH = 0,
(2)
которое, согласно теории автоматического управ-
ления [9–12], можно назвать условием инвари-
антности по отношению к возмущениям. Основ-
ной задачей теории инвариантности является, как
известно, отыскание таких структурных решений,
при которых отрицательное влияние внешних воз-
мущений произвольного вида в минимальной сте-
пени сказывалось бы на протекании управляемого
процесса. Наиболее благоприятная ситуация при
решении этой задачи возникает тогда, когда внеш-
ние воздействия поддаются непосредственному
измерению, хотя законы их изменения во времени
заранее могут быть неизвестны. В нашем случае
любые отклонения ξ(t) = us(t) – us ном, где us ном —
номинальное значение напряжения источника
сварочного тока, могут быть легко измерены, по-
этому для выполнения условия (2) достаточно
обеспечить автоматическое управление расстоя-
нием H в соответствии с алгоритмом
H(t) = Hном + ∆H(t), (3)
где
∆H(t) = 1E ξ(t).
(4)
Ясно, что алгоритм (3), (4) в таком виде фи-
зически нереализуем, поскольку исполнительные
механизмы, которые должны обеспечить прост-
ранственное перемещение сварочной горелки,
имеют определенную инерционность. Поэтому с
помощью математической модели инерционного
звена модифицируем выражение (4) следующим
образом:
∆H(t) = 1
E(TD + 1)
ξ(t),
(5)
где Т — постоянная времени исполнительных
механизмов.
Структура компенсирующего контура, пост-
роенная на основе алгоритма (3), (5), представлена
на рис. 2. Из этого рисунка видно, что необхо-
димое требование к структуре контура, форму-
лируемое как принцип двухканальности [10], вы-
полнено: возмущение ξ(t) передается по двум ка-
налам и суммарное воздействие на выходе этих
каналов σ = ∆u – ∆u* = ξTD/(TD + 1), где ∆u* = ∆u
при ξ = 0, будет при малом T значительно меньше
ξ(t). Следовательно, скорость плавления электро-
да vm становится в некоторой степени инвариан-
тной по отношению к возмущающему воздейс-
твию ξ(t).
Характерная особенность данного способа
компенсации возмущений заключается в том, что
компенсирующее устройство (КУ) (рис. 2), явля-
ющееся по существу внешним устройством по от-
ношению к сварочному контуру, не вносит в от-
личие от других известных способов никаких из-
менений в его структуру. Сигнал ξ(t), снимаемый
с датчика напряжения us, после предварительной
обработки поступает непосредственно в устройс-
тво управления манипуляционным роботом, ко-
торый в соответствии с алгоритмом (5) переме-
щает сварочную горелку на расчетное расстояние
∆H(t), уменьшая тем самым влияние возмущения
ξ(t) на скорость плавления электрода vm(t).
С целью экспериментальной проверки эффек-
тивности предлагаемого подхода к стабилизации
скорости плавления электрода vm проводилось
компьютерное моделирование динамики процес-
сов, протекающих в контуре при дуговой сварке.Рис. 2. Структурная схема компенсирующего контура
14 12/2008
Числовые значения параметров контура и режима
дуговой сварки взяты следующие: L = 7⋅10–4 Гн;
R = 0,015 Ом; Sa = 0,005 В/А; Ss = –0,02 В/А; us =
= 24 B; u0 = 12 B; ve = 50 мм/с; Н = 17 мм; Е =
= 2 В/мм; М = 0,38 мм/(А⋅с).
В качестве внешнего возмущения рассматри-
валось изменение напряжение us на выходных
клеммах источника сварочного тока, закон изме-
нения которого задавался зависимостью
us(t) = 24 – ξ(t), (6)
где
ξ(t) = 4 exp [– n(t – 1,5)2]. (7)
(Графики функции (6) при n = 2 с–2 и n = 5 с–2
показаны на рис. 3, а и рис. 4, а соответственно.)
Результаты моделирования процесса (1) при
возмущениях вида (7) представлены на рис. 3 и
рис. 4, где изображены графики изменения vm(t)
в сварочном контуре без КУ (рис. 3, б и рис. 4,
б) и с КУ (рис. 3, в, г и рис. 4, в, г). Рассматривая
эти графики, можно увидеть, что при отсутствии
Рис. 3. Результаты компьютерного моделирования (пояснения в тексте)
Рис. 4. Результаты компьютерного моделирования (пояснения в тексте)
12/2008 15
КУ (см. рис. 1) возмущение (7) приводит к су-
щественному изменению скорости плавления
электрода vm(t) (рис. 3, б и рис. 4, б). При под-
ключении КУ (см. рис. 2) влияние возмущения
(7) на скорость плавления vm(t) значительно ос-
лабевает (рис. 3, в, г и рис. 4, в, г).
Как и следовало ожидать, степень компен-
сации возмущения ξ(t) в данной схеме зависит
от инерционности исполнительных устройств, пе-
ремещающих горелку. На рис. 3, г приведен
график vm(t), полученный при Т = 0,05 с, а на
рис. 4, г — при Т = 0,1 с. Из этих графиков
видно, что с уменьшением инерционности испол-
нительных устройств степень компенсации воз-
мущений возрастает.
Сравнив графики на рис. 3, в, г и рис. 4, в,
г, нетрудно заметить, что более «медленные» воз-
мущения влияют на скорость плавления vm в мень-
шей степени, чем более «быстрые». Очевидно, что
возмущения, скорость изменения которых меньше
скорости затухания переходных процессов, в сва-
рочном контуре компенсируются наиболее эффек-
тивно.
Таким образом, результаты компьютерного
моделирования показали, что введение в систему
роботизированного управления процессом дуго-
вой сварки с плавящимся электродом дополни-
тельной связи между источником сварочного тока
и устройством управления движением горелки
может оказаться достаточно эффективным сред-
ством компенсации медленнодействующих флук-
туаций напряжения этого источника.
1. Патон Б. Е. Некоторые задачи в области автоматическо-
го регулирования сварочных процессов // Автомат. свар-
ка. — 1958. — № 4. — С. 3–9.
2. Патон Б. Е., Лебедев В. К. Электрооборудование для ду-
говой и шлаковой сварки. — М.: Машиностроение, 1966.
— 359 с.
3. Дюргеров Н. Г., Пенивши В. А., Сагиров Х. Н. О ста-
бильности процесса импульсно-дуговой сварки плавя-
щимся электродом // Свароч. пр-во. — 1966. — № 7.
— С. 13–14.
4. Гладков Э. А. Автоматизация сварочных процессов. —
М.: МВТУ им. Н. Э. Баумана, 1976. — 176 с.
5. Лебедев А. В. Эффективность стабилизации среднего
значения тока при полуавтоматической сварке // Авто-
мат. сварка. — 1978. — № 10. — С. 37–41.
6. Автоматизация сварочных процессов / Под ред. В. К.
Лебедева, В. П. Черныша. — Киев: Вища шк., 1986. —
296 с.
7. Стабилизация процесса импульсно-дуговой сварки пла-
вящимся электродом / Б. Е. Патон, П. П. Шейко, А. М.
Жерносеков, Ю. О. Шимановский // Автомат. сварка. —
2003. — № 8. — С. 3–6.
8. Цыбулькин Г. А. Компенсация воздействия внешних воз-
мущений на режим дуговой сварки плавящимся электро-
дом // Автомат. сварка. — 2007. — № 4. — С. 7–10.
9. Справочник по теории автоматического управления /
Под ред. А. А. Красовского. — М.: Наука, 1987. — 711 с.
10. Цыбулькин Г. А. Инвариантность и устойчивость одного
класса комбинированных программных систем с пере-
менным масштабом времени программ // Теория инвари-
антности и ее применение. — Киев: Наук. думка, 1979.
— Ч. 2. — С. 128–137.
11. Кyxтeнкo А. И. Проблема инвариантности в автоматике.
— Киев: Гостехиздат УССР, 1963. — 376 с.
12. Цыпкин Я. З. Синтез структуры стабилизирующих и ин-
вариантных регуляторов // Докл. РАН. — 1996. — 347,
№ 5. — С. 607–609.
The paper deals with one of the approaches to reducing the external impacts on electrode melting rate in robotic arc
welding. The procedure of synthesizing the structure of a compensating contour on the basis of invariance principle is set
forth. Results of computer simulation are given.
Поступила в редакцию 18.01.2008
ВНИМАНИЮ ЧИТАТЕЛЕЙ!
Решением Президиума ВАК Российской Федерации от 4 июля 2008 г. журнал «Автоматическая
сварка» включен в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых до-
лжны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых сте-
пеней доктора и кандидата наук.
16 12/2008
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-100668 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:44:33Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Цыбулькин, Г.А. 2016-05-26T05:32:09Z 2016-05-26T05:32:09Z 2008 Стабилизация скорости плавления электрода при роботизированной дуговой сварке / Г.А. Цыбулькин // Автоматическая сварка. — 2008. — № 12 (668). — С. 13-16. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100668 621.791.753 Рассмотрен один из подходов к снижению внешних возмущений на скорость плавления электрода при роботизированной дуговой сварке. Изложена процедура синтеза структуры компенсирующего контура на основе принципа инвариантности. Приведены результаты компьютерного моделирования. The paper deals with one of the approaches to reducing the external impacts on electrode melting rate in robotic arc
 welding. The procedure of synthesizing the structure of a compensating contour on the basis of invariance principle is set
 forth. Results of computer simulation are given. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Стабилизация скорости плавления электрода при роботизированной дуговой сварке Stabilisation of electrode melting rate in robotic arc welding Article published earlier |
| spellingShingle | Стабилизация скорости плавления электрода при роботизированной дуговой сварке Цыбулькин, Г.А. Научно-технический раздел |
| title | Стабилизация скорости плавления электрода при роботизированной дуговой сварке |
| title_alt | Stabilisation of electrode melting rate in robotic arc welding |
| title_full | Стабилизация скорости плавления электрода при роботизированной дуговой сварке |
| title_fullStr | Стабилизация скорости плавления электрода при роботизированной дуговой сварке |
| title_full_unstemmed | Стабилизация скорости плавления электрода при роботизированной дуговой сварке |
| title_short | Стабилизация скорости плавления электрода при роботизированной дуговой сварке |
| title_sort | стабилизация скорости плавления электрода при роботизированной дуговой сварке |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100668 |
| work_keys_str_mv | AT cybulʹkinga stabilizaciâskorostiplavleniâélektrodaprirobotizirovannoidugovoisvarke AT cybulʹkinga stabilisationofelectrodemeltingrateinroboticarcwelding |