Методика оценки транспортных запаздываний в АСУ формированием сварного шва
Предложена методика определения транспортных запаздываний в контуре обратной связи автоматической системы управления процессом формирования усиления шва при сварке МАГ. Исследован механизм возникновения двух различных транспортных запаздываний — формирования высоты и ширины усиления шва, которые о...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Дата: | 2010 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2010
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101361 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Методика оценки транспортных запаздываний в АСУ формированием сварного шва / В.В. Долиненко, В.А. Коляда, Т.Г. Скуба, Е.В. Шаповалов // Автоматическая сварка. — 2009. — № 12 (680). — С. 51-53. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101361 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Долиненко, В.В. Коляда, В.А. Скуба, Т.Г. Шаповалов, Е.В. 2016-06-02T20:43:01Z 2016-06-02T20:43:01Z 2010 Методика оценки транспортных запаздываний в АСУ формированием сварного шва / В.В. Долиненко, В.А. Коляда, Т.Г. Скуба, Е.В. Шаповалов // Автоматическая сварка. — 2009. — № 12 (680). — С. 51-53. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101361 621.791.75.01 Предложена методика определения транспортных запаздываний в контуре обратной связи автоматической системы управления процессом формирования усиления шва при сварке МАГ. Исследован механизм возникновения двух различных транспортных запаздываний — формирования высоты и ширины усиления шва, которые обнаружива- ются при измерениях их геометрических параметров с помощью лазерно-телевизионного сенсора. Для получения оценок транспортных запаздываний предложено использовать регрессионные формулы, составленные на основе результатов вычислительных экспериментов. В качестве объекта вычислительных экспериментов использована математическая модель сварочной ванны, полученная для условий нагрева изделия подвижным нормально-кру- говым источником тепла. Method is suggested for determination of transportation lags in feedback circuit of the automatic system for control of the weld reinforcement formation process in MAG welding. The mechanism of emergence of two different transportation lags, i.e. formation of height and width of the bead, which are revealed by measurements of geometric parameters of the weld bead using the laser-TV sensor, has been investigated. To estimate the transportation lags, it is suggested to use the regression formulae derived on the basis of computational experimental results. A mathematical model of the weld pool developed for conditions of heating a workpiece with the movable normal heat source has been used as an object of the computational experiments. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Краткие сообщения Методика оценки транспортных запаздываний в АСУ формированием сварного шва Method of evaluation of transportation lag in automatic control systems of weld bead formation Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Методика оценки транспортных запаздываний в АСУ формированием сварного шва |
| spellingShingle |
Методика оценки транспортных запаздываний в АСУ формированием сварного шва Долиненко, В.В. Коляда, В.А. Скуба, Т.Г. Шаповалов, Е.В. Краткие сообщения |
| title_short |
Методика оценки транспортных запаздываний в АСУ формированием сварного шва |
| title_full |
Методика оценки транспортных запаздываний в АСУ формированием сварного шва |
| title_fullStr |
Методика оценки транспортных запаздываний в АСУ формированием сварного шва |
| title_full_unstemmed |
Методика оценки транспортных запаздываний в АСУ формированием сварного шва |
| title_sort |
методика оценки транспортных запаздываний в асу формированием сварного шва |
| author |
Долиненко, В.В. Коляда, В.А. Скуба, Т.Г. Шаповалов, Е.В. |
| author_facet |
Долиненко, В.В. Коляда, В.А. Скуба, Т.Г. Шаповалов, Е.В. |
| topic |
Краткие сообщения |
| topic_facet |
Краткие сообщения |
| publishDate |
2010 |
| language |
Russian |
| container_title |
Автоматическая сварка |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Method of evaluation of transportation lag in automatic control systems of weld bead formation |
| description |
Предложена методика определения транспортных запаздываний в контуре обратной связи автоматической системы
управления процессом формирования усиления шва при сварке МАГ. Исследован механизм возникновения двух
различных транспортных запаздываний — формирования высоты и ширины усиления шва, которые обнаружива-
ются при измерениях их геометрических параметров с помощью лазерно-телевизионного сенсора. Для получения
оценок транспортных запаздываний предложено использовать регрессионные формулы, составленные на основе
результатов вычислительных экспериментов. В качестве объекта вычислительных экспериментов использована
математическая модель сварочной ванны, полученная для условий нагрева изделия подвижным нормально-кру-
говым источником тепла.
Method is suggested for determination of transportation lags in feedback circuit of the automatic system for control of
the weld reinforcement formation process in MAG welding. The mechanism of emergence of two different transportation
lags, i.e. formation of height and width of the bead, which are revealed by measurements of geometric parameters of
the weld bead using the laser-TV sensor, has been investigated. To estimate the transportation lags, it is suggested to
use the regression formulae derived on the basis of computational experimental results. A mathematical model of the
weld pool developed for conditions of heating a workpiece with the movable normal heat source has been used as an
object of the computational experiments.
|
| issn |
0005-111X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101361 |
| citation_txt |
Методика оценки транспортных запаздываний в АСУ формированием сварного шва / В.В. Долиненко, В.А. Коляда, Т.Г. Скуба, Е.В. Шаповалов // Автоматическая сварка. — 2009. — № 12 (680). — С. 51-53. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT dolinenkovv metodikaocenkitransportnyhzapazdyvaniivasuformirovaniemsvarnogošva AT kolâdava metodikaocenkitransportnyhzapazdyvaniivasuformirovaniemsvarnogošva AT skubatg metodikaocenkitransportnyhzapazdyvaniivasuformirovaniemsvarnogošva AT šapovalovev metodikaocenkitransportnyhzapazdyvaniivasuformirovaniemsvarnogošva AT dolinenkovv methodofevaluationoftransportationlaginautomaticcontrolsystemsofweldbeadformation AT kolâdava methodofevaluationoftransportationlaginautomaticcontrolsystemsofweldbeadformation AT skubatg methodofevaluationoftransportationlaginautomaticcontrolsystemsofweldbeadformation AT šapovalovev methodofevaluationoftransportationlaginautomaticcontrolsystemsofweldbeadformation |
| first_indexed |
2025-11-25T15:29:52Z |
| last_indexed |
2025-11-25T15:29:52Z |
| _version_ |
1850519304177451008 |
| fulltext |
УДК 621.791.75.01
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ТРАНСПОРТНЫХ ЗАПАЗДЫВАНИЙ
В АСУ ФОРМИРОВАНИЕМ СВАРНОГО ШВА
В. В. ДОЛИНЕНКО, канд. техн. наук, В. А. КОЛЯДА, Т. Г. СКУБА, инженеры, Е. В. ШАПОВАЛОВ, канд. техн. наук
(Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Предложена методика определения транспортных запаздываний в контуре обратной связи автоматической системы
управления процессом формирования усиления шва при сварке МАГ. Исследован механизм возникновения двух
различных транспортных запаздываний — формирования высоты и ширины усиления шва, которые обнаружива-
ются при измерениях их геометрических параметров с помощью лазерно-телевизионного сенсора. Для получения
оценок транспортных запаздываний предложено использовать регрессионные формулы, составленные на основе
результатов вычислительных экспериментов. В качестве объекта вычислительных экспериментов использована
математическая модель сварочной ванны, полученная для условий нагрева изделия подвижным нормально-кру-
говым источником тепла.
К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая сварка, сварные соединения,
форма шва, АСУ, транспортное запаздывание, лазерно-те-
левизионный сенсор
Задача замкнутого управления формированием
сварного шва при дуговой сварке давно привле-
кает внимание специалистов в области автомати-
зации сварочных процессов. Одной из основных
проблем при решении данной задачи является ре-
ализация обратной связи по параметрам, опреде-
ляющим форму сварного шва. В работе [1] для
замкнутого управления процессом формирования
сварного шва предлагается использовать наблю-
дение за сварочной ванной с помощью специаль-
ного сенсора, функционирование которого осно-
вано на методе двухцветной пирометрии. Такой
подход позволяет получать только косвенные
оценки параметров сварного шва, которые могут
существенно отличаться от действительных зна-
чений. Больший интерес представляет способ,
предложенный в работе [2], где для реализации
обратной связи предложено использовать непос-
редственное измерение геометрических парамет-
ров усиления сварного шва с помощью лазерно-
телевизионного сенсора (ЛТС). К недостаткам
известных схем замкнутого управления формиро-
ванием сварного шва можно отнести то, что не
учитывается наличие нескольких транспортных
запаздываний между ЛТС и участками сварочной
ванны. Поэтому при изменении параметров ре-
жима сварки устойчивость управления может
ухудшаться.
В данной работе предлагается методика оце-
нки транспортных запаздываний для систем ав-
томатической системы управления (АСУ) сваркой
МАГ, обратная связь в которых обеспечивается
с помощью ЛТС [3].
Из теории сварочных процессов известно, что
ширина и высота валика соответствует фронту
затвердевания ванны в ее средней и хвостовой
части [4]. На рис. 1 представлена схема образо-
вания двух транспортных запаздываний в АСУ
при использовании ЛТС (отдельно для измерений
высоты g и ширины e усиления шва). Штриховой
линией обозначен контур воображаемой свароч-
ной ванны в момент времени, когда проекция оси
электрода находилась в точке O. Форма сварочной
ванны соответствует направлению сварки слева
направо. Точкой А обозначена крайняя точка
фронта затвердевания хвостовой части сварочной
ванны. Ее координата по оси абсцисс определяет
начало формирования высоты усиления шва. Точ-
ками Б и Б′ обозначены точки фронта затверде-
вания сварочной ванны в средней части. Их ко-
ординаты по оси абсцисс определяют начало фор-
мирования ширины усиления шва. Расстояние
между электродом (осью сварочной горелки) и
световым следом ЛТС LTV определяет базовую
величину транспортного запаздывания при изме-
рении параметров валика. Расстояние между точ-
кой А (Б) и точкой О вдоль оси абсцисс составляет
Lg (Le). Таким образом, величины отрезков тран-
© В. В. Долиненко, В. А. Коляда, Т. Г. Скуба, Е. В. Шаповалов, 2010
Рис. 1. Схема возникновения транспортных запаздываний
между сварочной ванной и ЛТС при сварке МАГ: 1 — свето-
вой след ЛТС; 2 — воображаемый контур сварочной ванны;
3 — поверхность затвердевшей сварочной ванны
1/2010 51
спортных запаздываний наблюдения ширины ΔLe
и высоты ΔLg валика шва рассчитываются сле-
дующим образом: ΔLe = (LTV – Le), ΔLg = (LTV –
– Lg). Отсюда формулы расчета временных пара-
метров транспортных запаздываний записывают-
ся в следующем виде:
τg =
LTV – Lg
vсв
; τe =
LTV – Le
vсв
, (1)
где τe, τg — временные параметры транспортных
запаздываний измерений соответственно ширины
и высоты валика, с; vсв — скорость сварки, см/с.
Из рисунка видно, что для определения зна-
чения транспортных запаздываний между свароч-
ной ванной и световым следом ЛТС необходимо
знать координаты точек А, Б и Б′ относительно
текущей координаты проекции оси электрода О.
Однако для симметричной формы валика абсцис-
сы точек Б и Б′ равны, поэтому расчет требуется
выполнить только для точек А и Б.
Для решения данной задачи синтезирована ма-
тематическая модель, позволяющая рассчитывать
геометрические параметры сварочной ванны на
основе теплопереноса в свариваемых изделиях.
Уравнение, описывающее процесс распростране-
ния тепла в полубесконечном теле при нагреве
его подвижным нормально-круговым источником
[5], имеет вид
T(x, y, z, t) = 2q
cγ(4πa)3
⁄ 2
exp
⎛
⎜
⎝
–
vсвx
2a
⎞
⎟
⎠
∫
0
t
dt′′
√⎯⎯t′′ (t0 + t′′)
×
× exp [– z2
4at′′
– r2
4a(t0 + t′′)
–
vсв
2
2a(t0 + t′′)],
(2)
где r2 = x2 + y2, см2; x, y, z — координаты текущей
расчетной точки температурного поля, см; a =
= λ/cγ — коэффициент температуропроводности,
Дж/м2; cγ — объемная теплоемкость, Дж/(м3⋅К);
q = 0,24ηUдIсв — эффективная тепловая мощ-
ность, Дж/м; Uд, Iсв — средние значения напря-
жения и тока сварки; t0 = 1/(4akt) — длительность
распространения фиктивного источника, с; kt —
коэффициент тепловой сосредоточенности дуги,
см–2; t — промежуток времени действия непре-
рывного подвижного источника тепла, с; t′′ = t –
– t′, с; t′ — вспомогательный момент времени, в
который источником было введено тепло на на-
чальном участке его движения, с.
Численное решение выполняли с шагом дис-
кретизации 0,01 см. К недостаткам такого реше-
ния можно отнести то, что не учитываются про-
цессы массопереноса в сварочную ванну.
Для уточнения значений основных энергети-
ческих параметров тепловой модели были прове-
дены сварочные эксперименты. Сварку проводи-
ли на обратной полярности в защитном газе (85 %
Ar + 15 % CO2) в нижнем положении. Сваривали
пластины углеродистой стали толщиной 0,8 см
(сварка без зазора) электродной проволокой
Св-08Г2С диаметром 0,12 см. Номинальные па-
раметры режима сварки: Iсв = 160 А, Uд = 19 В,
vсв = 7,5 см/с. На рис. 2 показан макрошлиф ва-
лика шва, который использовали для проверки
адекватности тепловой модели. По результатам сва-
рочных экспериментов уточнены значения парамет-
ров тепловой модели: эффективного КПД сварки
η = 0,75 и коэффициента сосредоточенности теп-
лового воздействия дуги kt = 8,3 см–2. Другие па-
раметры тепловой модели имеют следующие зна-
чения: a = 0,0718 Дж/м2, cγ = 0,975 Дж/(м3⋅К).
Вычислительный эксперимент выполнен в со-
ответствии с полным факторным планом экспе-
риментов второго порядка [6]. Рассмотрены сле-
дующие переменные: Uсв = 17…21 В, Iсв =
= 145…175 А и vсв = 0,5…1,0 см/с. Выполнен
расчет таких параметров сварочной ванны, как
Рис. 2. Макрошлиф сварного шва (Uд = 19 В, Iсв = 160 А, vсв =
= 0,75 см/с)
Матрица вычислительного эксперимента и результаты
расчета
№ п/п х1 х2 х3 Uд, В Iсв, А
vсв,
см/с Lg, см Le, см
1 0 0 0 19,0 160 0,75 1,08 0,59
2 –1 –1 –1 17,8 151 0,60 0,95 0,48
3 –1 –1 1 17,8 151 0,90 1,04 0,57
4 –1 1 –1 17,8 169 0,60 1,02 0,47
5 –1 1 1 17,8 169 0,90 1,11 0,68
6 1 –1 –1 20,2 151 0,60 1,04 0,51
7 1 –1 1 20,2 151 0,90 1,13 0,59
8 1 1 –1 20,2 169 0,60 1,13 0,48
9 1 1 1 20,2 169 0,90 1,22 0,68
10 –1,68 0 0 17,0 160 0,75 0,99 0,59
11 0 –1,68 0 19,0 145 0,75 1,01 0,60
12 0 0 –1,68 19,0 160 0,50 0,99 0,50
13 1,68 0 0 21,0 160 0,75 1,16 0,51
14 0 1,68 0 19,0 175 0,75 1,16 0,63
15 0 0 1,68 19,0 160 1,00 1,14 0,65
52 1/2010
ширина e сварочной ванны, глубина максималь-
ного проплавления h, длина сварочной ванны Lв,
расстояния Le и Lg. Получены следующие диапа-
зоны варьирования параметров: h = 0,15…0,25 см,
e = 0,7…0,91 см, Lв = 0,98…1,22 см, что соот-
ветствует сварочному эксперименту. Результаты
вычислительного эксперимента приведены в таб-
лице. Нормализованные факторы х1, х2 и х3 соот-
ветствуют факторным переменным Uд, Iсв и vсв.
Получены следующие регрессионные фор-
мулы:
Lg = –0,69 + 0,041Uд + 0,0048Iсв + 0,3vсв (см), (3)
Le = 0,08 + 0,004Uд + 0,0016Iсв + 0,4vсв (см). (4)
Среднеквадратическая ошибка аппроксимации
для регрессионной модели (3), (4) не превышает
5 %.
В соответствии с предложенной методикой на
основании априорной информации о величине
LTV и диапазонах изменений сварочных перемен-
ных Iсв, Uд и vсв рассчитывают диапазоны изме-
нений расстояний Le и Lg, а затем по формуле
(1) вычисляют минимальные и максимальные
оценки транспортных запаздываний τe и τg.
Рассмотрим в качестве примера практический
случай с LTV = 7,5 см. Сравним максимальные
изменения транспортных запаздываний для пос-
тоянной и изменяющейся скорости сварки при
варьировании режима сварки в диапазоне: Uд =
= 17…21 В и Iсв = 145…175 А. В первом случае
для vсв = 0,75 см/с расчет дает диапазон изменений
τe = 9,0…9,1 с (относительное изменение состав-
ляет 1 %) и τg = 8,4…8,8 с (5 %). Во втором случае
для диапазона варьирования vсв = 0,5…1,0 см/с из-
менения транспортных запаздываний следующие:
τe = 6,7…13,8 с (относительное изменение 78 %)
и τg = 6,2…13,3 с (83 %). Таким образом, во вто-
ром случае модель объекта управления представ-
ляет собой нестационарную динамическую систе-
му, для которой потребуются более сложные алго-
ритмы управления.
Предложенная методика расчета транспорт-
ных запаздываний в АСУ формированием уси-
ления шва с обратной связью позволяет корректно
выбрать временные параметры и тип автомати-
ческого регулятора.
1. Zhang H., Pan J., Lao B. The real-time measurement of wel-
ding temperature field and closed-loop control of isoterm
width // Sci. in China Press. — 1999. — 21, N 2, Apr. —
P. 129–135.
2. Doumanidis C., Kwak Y.-M. Multivariable adaptive control
of the bead profile geometry in gas metal arc welding with
thermal scanning // Intern. J. of Pressure Vessels and Piping.
— 2002. — 79. — P. 251–262.
3. Кисилевский Ф. Н., Коляда В. А. Система лазерного сле-
жения за валиком усиления сварного шва // Автомат. свар-
ка. — 2006. — № 1. — С. 60–62.
4. Ерохин А. А. Основы сварки плавлением. Физико-хими-
ческие закономерности. — М.: Машиностроение, 1973.
— 448 с.
5. Рыкалин Н. Н., Углов А. А. Расчеты тепловых процессов
при сварке. — М.: Машгиз, 1951. — 296 с.
6. Джонсон И., Лион Ф. Статистика и планирование экспе-
римента в технике и науке: методы планирования экспе-
римента / Пер. с англ. — М.: Мир, 1981. — 520 с.
Method is suggested for determination of transportation lags in feedback circuit of the automatic system for control of
the weld reinforcement formation process in MAG welding. The mechanism of emergence of two different transportation
lags, i.e. formation of height and width of the bead, which are revealed by measurements of geometric parameters of
the weld bead using the laser-TV sensor, has been investigated. To estimate the transportation lags, it is suggested to
use the regression formulae derived on the basis of computational experimental results. A mathematical model of the
weld pool developed for conditions of heating a workpiece with the movable normal heat source has been used as an
object of the computational experiments.
Поступила в редакцию 14.07.2009
ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ
Институт электросварки им.
Е. О. Патона НАН Украины
А. В. Яровицын (ИЭС им. Е. О.
Патона) защитил 10 декабря
2009 г. кандидатскую диссерта-
цию на тему «Микроплазменная
порошковая наплавка жаропроч-
ных никелевых сплавов с содер-
жанием γ′-фазы 45…65 %».
Диссертация посвящена исследованию энерге-
тических, тепловых и технологических особен-
ностей микроплазменной порошковой наплавки
с целью разработки промышленной технологии
для ремонта лопаток жаропрочных никелевых
сплавов.
Обоснованы требования к сварочному источ-
нику тепла для микроплазменной порошковой
наплавки. Показано, что сочетание низких удель-
ных тепловложений 100…650 Вт, низкой плот-
ности тепловой энергии в эквивалентном пятне
нагрева 150…1500 Вт/см2 и малых скоростей пе-
ремещения микроплазменной дуги обеспечивает
медленное охлаждение основного металла в тем-
пературных интервалах хрупкости со скоростями
до 3…10 °С/с. В этом случае темп нарастания
деформаций не превышает критических значений,
1/2010 53
|