Оценка качества процесса саморегулирования дуги
Рассмотрены установившиеся режимы в сварочной цепи при дуговой сварке плавящимся электродом в среде
 защитного газа. Предложен подход к оценке качества процесса саморегулирования дуги, основанный на применении
 метода коэффициентов ошибок. Steady-state modes in the welding circuit du...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2010
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101410 |
| 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: | Оценка качества процесса саморегулирования
 дуги / Г.А. Цыбулькин // Автоматическая сварка. — 2010. — № 2 (682). — С. 15-18. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860229153321648128 |
|---|---|
| author | Цыбулькин, Г.А. |
| author_facet | Цыбулькин, Г.А. |
| citation_txt | Оценка качества процесса саморегулирования
 дуги / Г.А. Цыбулькин // Автоматическая сварка. — 2010. — № 2 (682). — С. 15-18. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Рассмотрены установившиеся режимы в сварочной цепи при дуговой сварке плавящимся электродом в среде
защитного газа. Предложен подход к оценке качества процесса саморегулирования дуги, основанный на применении
метода коэффициентов ошибок.
Steady-state modes in the welding circuit during gas metal arc welding are considered. An approach is offered to evaluate
quality of the self-adjusting arc process based on the use of the error index method.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:20:49Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791.753
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПРОЦЕССА
САМОРЕГУЛИРОВАНИЯ ДУГИ
Г. А. ЦЫБУЛЬКИН, д-р техн. наук (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Рассмотрены установившиеся режимы в сварочной цепи при дуговой сварке плавящимся электродом в среде
защитного газа. Предложен подход к оценке качества процесса саморегулирования дуги, основанный на применении
метода коэффициентов ошибок.
К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая сварка, плавящийся элект-
род, переходные и установившиеся процессы, точность са-
морегулирования
Эффективность алгоритмов управления роботи-
зированной дуговой сваркой плавящимся элект-
родом существенным образом зависит от того,
насколько при их разработке учитывается харак-
тер динамических процессов, протекающих в сва-
рочном контуре. Особенность этих процессов
обусловлена явлением саморегулирования дуги,
которое, как известно, было обнаружено и всес-
торонне исследовано еще в начале 40-х годов
прошлого столетия [1]. Хотя изучению указанного
явления посвящено огромное количество работ,
вопросы качества саморегулирования дуги все же
недостаточно отражены в литературе. Можно ука-
зать лишь на недавно опубликованную работу [2],
в которой использован интегральный критерий ка-
чества, позволяющий сравнивать близкие по
структуре системы (лучшая из них имеет мень-
шую интегральную оценку). В работе [2] не рас-
смотрены вопросы точности в установившихся ре-
жимах, которая наряду со временем протекания
переходного процесса является, как известно [3–
7], одним из основных показателей качества про-
цесса.
Между тем для анализа точности в устано-
вившихся режимах в условиях постоянных мед-
ленно изменяющихся внешних воздействий в свое
время был предложен весьма изящный метод,
описанный впервые, по-видимому, в работе [7]
и получивший позже известность как метод коэф-
фициентов ошибок. Этот метод позволяет доволь-
но просто получить представление об установив-
шихся процессах в линейных системах с обратной
связью произвольной структуры непосредственно
по коэффициентам передаточных функций в за-
висимости от внешних воздействий и их произ-
водных. В работе [8] показано, что упомянутый
метод в принципе распространяется и на опре-
деленные классы нелинейных систем, в которых
нелинейные элементы не охвачены цепью обрат-
ной связи.
В настоящей работе ставится задача исследо-
вать установившийся процесс в сварочной цепи
при дуговой сварке плавящимся электродом в сре-
де защитного газа и на основе метода коэффи-
циентов ошибок построить оценку точности про-
цесса саморегулирования дуги.
Рассмотрим дифференциальное уравнение
(TeTsD
2 + TsD + 1)vm = ve – DH + 1E Dus,
(1)
описывающее, согласно [9], динамические про-
цессы, которые протекают в сварочной цепи.
В уравнение (1) введены следующие обозна-
чения: vе = vе(t) — скорость подачи плавящегося
электрода относительно сопла горелки; vm =
= vт(t) — скорость плавления электрода; H =
= H(t) — расстояние между торцом токоподво-
дящего мундштука и свободной поверхностью
сварочной ванны; us = us(t) — напряжение на вы-
ходных клеммах источника сварочного тока; E ≡
≡ ∂ua/∂l — напряженность электрического поля
в столбе дуги; ua = ua(t) — напряжение на дуге;
l — длина дуги; t — текущее время; D = d/dt —
оператор дифференцирования; Te, Ts — постоян-
ные времени:
Te = L
R∗
; Ts =
R∗
EM. (2)
Здесь L — индуктивность сварочного контура;
M ≡ ∂vm/∂i — крутизна характеристики плавления
электрода при номинальных значениях сварочно-
го тока i и вылета электрода
R* = R + Sa – Ss, (3)
где R — суммарное сопротивление подводящих
проводов, вылета электрода и скользящего кон-
такта в мундштуке горелки; Sa ≡ ∂ua/∂i; Ss ≡
≡ ∂us/∂i — крутизна вольт-амперных характерис-
тик дуги и источника сварочного тока при но-
минальном значении сварочного тока i.
© Г. А. Цыбулькин, 2010
2/2010 15
В качестве меры точности саморегулирования
примем величину
ε(t) = ve(t) – vm(t), (4)
представляющую собой отклонение скорости
плавления электрода vm(t) от скорости подачи
электрода ve(t).
На основании (4) и (1) можно записать
(TeTsD
2 + TsD + 1)ε(t) =
= (TeTsD
2 + TsD)ve(t) + DH(t) – 1EDus(t). (5)
Применив к (5) преобразование Лапласа, по-
лучим
ε(p) = W1(p)ve(p) + W2(p)H(p) – W3(p)us(p), (6)
где p — комплексная переменная; W1(p), W2(p),
W3(p) — передаточные функции:
W1(p) =
TeTs p
2 + Ts p
TeTs p
2 + Ts p + 1
; W2(p) = p
TeTs p
2 + Ts p + 1
;
W3(p) = E–1p
TeTs p
2 + Ts p + 1
. (7)
Поскольку передаточные функции W1(p),
W2(p), W3(p) не имеют полюсов в начале коор-
динат, то, согласно [7], они могут быть разложены
в степенные ряды относительно p. Следовательно,
установившееся отклонение ε∞(t) по каждому
входному воздействию ve(t), H(t), us(t) можно
представить как сумму соответствующих разло-
жений
ε∞(t) = ε1∞(t) + ε2∞(t) + ε3∞(t), (8)
где
ε1∞(t) = A0ve(t) + A1Dve(t) + A2D
2ve(t) + …;
ε2∞(t) = B0H(t) + B1DH(t) + B2D
2H(t) + …;
ε3∞(t) = C0us(t) + C1Dus(t) + C2D
2us(t) + … (9)
В этих выражениях
An = 1
n!
⎡
⎢
⎣
d nW1
dpn
⎤
⎥
⎦
p = 0; Bn = 1
n!
⎡
⎢
⎣
d nW2
dpn
⎤
⎥
⎦
p = 0;
Cn = 1
n!
⎡
⎢
⎣
d nW3
dpn
⎤
⎥
⎦
p = 0, n = 0, 1, 2, … (10)
— постоянные коэффициенты.
Итак, подставив в разложения (9) найденные
по формулам (10) коэффициенты An, Bn, Cn и про-
суммировав затем результат, согласно (8), полу-
чим оценку точности саморегулирования дуги
ε∞(t).
Если в выражениях (9) ограничиться, напри-
мер, двумя первыми членами ряда, что вполне
приемлемо в нашем случае, то приближенная
оценка точности ε∞
∗ (t) примет достаточно простой
вид, а именно
ε∞
∗ (t) = TsDve + DH – 1EDus.
(11)
Зная числовые значения параметров Ts и E, а
также скорость изменения входных воздействий
ve(t), H(t), us(t), по формуле (11) можно легко
вычислить отклонение ε∞
∗ (t), т. е. получить в каж-
дом конкретном случае оценку точности саморе-
гулирования дуги без проведения каких-либо до-
полнительных теоретических или эксперимен-
тальных исследований.
Из выражения (11) непосредственно видно, что
если ve = const, H = const, us = const, то отклонение
ε∞(t) в установившемся режиме равно нулю. Оче-
видно, что при ve(t) ≠ const отклонение ε∞(t) будет
тем меньше, чем меньше постоянная времени Ts,
зависящая, согласно (2), (3), от крутизны вольт-
амперных характеристик дуги Sa ≡ ∂ua/∂i, источ-
ника сварочного тока Ss ≡ ∂us/∂i, крутизны ха-
рактеристики плавления электрода M ≡ ∂vm/∂i и
напряженности электрического поля в столбе дуги
E ≡ ∂ua/∂l. Из (11), (2), (3) нетрудно увидеть, что,
чем меньше R* = R + Sa – Ss и больше EM, тем
меньше в установившемся режиме отклонение
ε∞(t), т. е. тем выше точность саморегулирования
дуги.
Что касается времени переходного процесса
τ, являющегося еще одной из основных характе-
ристик качества саморегулирования дуги, то, пос-
кольку в сварочном контуре Ts >> Te, это время
можно оценить по простой формуле
τ* = Tsln(k), (12)
где k — число, определяющее степень уменьше-
ния начального отклонения ε0 за искомое время
τ, т. е. k = ε0/ε(t).
Из формул (12), (2), (3), в частности, следует,
что с уменьшением R* и увеличением EM время
переходного процесса τ уменьшается.
Таким образом, формулы (11) и (12) весьма
удобны для числовой оценки качества процесса
саморегулирования дуги, от которого в известной
степени зависит и само качество дуговой сварки.
На рис. 1, 2 представлены результаты компью-
терного моделирования процессов, описываемых
дифференциальным уравнением (1). Взяты сле-
дующие числовые значения параметров свароч-
ного контура и режима дуговой сварки: L =
= 4⋅10–4 Гн; R = 0,015 Ом; E = 2 В/мм; M =
= 0,31 мм/(А⋅с); Sa = 0,005 В/А.
Переходные и установившиеся процессы ε(t),
полученные при изменении скорости подачи элек-
16 2/2010
трода ve(t) и постоянных значениях H = 17 мм,
us = 30 В, показаны на рис. 1. Для простоты про-
верки формулы (11) закон изменения ve(t) зада-
вали зависимостью
ve(t) = ⎧⎨
⎩
45, t < 0,5
45 + 20(t – 0,5), t ≥ 0,5
[мм/с].
Сравнивая кривые 1 и 2 на рис. 1, видим, что
точность саморегулирования дуги, характеризуе-
мая отклонением ε(t), повышается при умень-
шении крутизны Ss вольт-амперной характерис-
тики источника сварочного тока.
На рис. 2 показан переходной процесс ε(t), выз-
ванный ступенчатым изменением расстояния H(t)
между торцом токоподводящего мундштука и
свободной поверхностью сварочной ванны:
H(t) = ⎧⎨
⎩
17, t < 0,5
20, t ≥ 0,5
[мм].
При этом задавали напряжение us = 30 В и
скорость ve = 45 мм/с.
Из рис. 2 видно, что время переходного про-
цесса сокращается с уменьшением крутизны Ss
вольт-амперной характеристики источника сва-
рочного тока.
Чтобы проиллюстрировать эффективность
применения формул (11) и (12) для числовой
оценки качества саморегулирования дуги, прове-
дем расчет по этим формулам установившегося
отклонения ε∞
∗ (t) и времени переходного процесса
τ в рассмотренных выше случаях.
В случае линейного изменения скорости по-
дачи электрода ve(t) (рис. 1)
ε∞1
∗ (t) = TsDve = 0,015 + 0,005 + 0,025
2⋅0,31
⋅20 = 1,45 мм/c
(кривая 1);
ε∞2
∗ (t) = 0,015 + 0,005 + 0,045
2⋅0,31
⋅20 = 2,1 мм/c (кривая 2).
В случае ступенчатого изменения расстояния
H(t) между торцом токоподводящего мундштука
и свободной поверхностью сварочной ванны
(рис. 2)
τ1
∗ = Tsln(k) = 0,015 + 0,005 + 0,015
2⋅0,31
⋅3 = 0,17 с (кривая 1);
τ2
∗ = 0,015 + 0,005 + 0,045
2⋅0,31
⋅3 = 0,31 с (кривая 2).
Сравнивая значения ε∞
∗ и τ∗, вычисленные по
формулам (11) и (12), с соответствующими зна-
чениями ε∞ и τ, полученными при моделировании
(рис. 1, 2), ε∞1(t) = 1,45 мм/с, ε∞2(t) = 2,09 мм/с,
τ1 = 0,16 с, τ2 = 0,32 с, нетрудно убедиться, что
они практически совпадают.
Таким образом, компьютерное моделирование
и приведенные расчеты показывают, что предло-
женные в настоящей работе оценки (11) и (12)
позволяют получить четкое представление о точ-
ности и времени переходных процессов саморе-
гулирования дуги. Зная параметры сварочной це-
Рис. 1. Линейное изменение скорости ve подачи электрода (а)
и реакция отклонения ε(t) на это изменение (б): 1 — Ss =
= –0,025; 2 — –0,045 В/А
Рис. 2. Ступенчатое изменение расстояния Н между мунд-
штуком и сварочной ванной (а) и реакция отклонения ε(t) на
это изменение (б): 1 — Ss = –0,015; 2 — –0,045 В/А
2/2010 17
пи, по формулам (11), (12) легко рассчитать чис-
ловые значения ε∞
∗ и τ*. Более того, располагая
указанными формулами, путем выбора опреде-
ленных соотношений между параметрами свароч-
ной цепи можно обеспечить желаемые показатели
качества саморегулирования дуги. Такая необхо-
димость, в частности, возникает при использо-
вании импульсных способов дуговой сварки [10].
Оценки (11) и (12) были использованы нами
в [11] при разработке адаптивного дугового сен-
сора Arc Sensor для корректирующего управления
роботизированной дуговой сваркой.
1. Патон Б. Е. Избранные труды. — Киев: ИЭС им. Е. О.
Патона, 2008. — 893 с.
2. Дюргеров Н. Г. Интегральный критерий качества само-
регулирования сварочной дуги // Свароч. пр-во. — 2001.
— № 8. — С. 8–10.
3. Попов Е. П. Теория линейных систем автоматического
регулирования и управления. — М.: Наука, 1987. —
256 с.
4. Кинг Л. Г. Снижение установившейся динамической
ошибки в замкнутых следящих системах // Прикл. меха-
ника и машиностроение. — 1954. — № 2. — С. 3–14.
5. Лукас В. А. Теория автоматического управления. — М.:
Недра, 1990. — 416 с.
6. Туманов М. П. Теория управления. Теория линейных
систем автоматического управления. — М.: МГИЭМ,
2005. — 80 с.
7. Теория следящих систем / Под ред. Х. Джеймса и др. —
М.: Изд-во иностр. лит., 1951. — 484 с.
8. Цыбулькин Г. А. Анализ установившихся режимов неко-
торых классов нелинейных динамических систем на ос-
нове процедур рекуррентного оценивания // Кибернети-
ка и вычисл. техника. — 1994. — Вып. 101. — С. 74–80.
9. Цыбулькин Г. А. Стабилизация скорости плавления элек-
трода при роботизированной дуговой сварке // Автомат.
сварка. — 2008. — № 12. — С. 13–16.
10. Разработка высокоэффективных способов дуговой
сварки и их применение / Н. Кидзи, К. Кобаяси, Д. Исии,
Х. Ямаока // Там же. — 2003. — № 10/11. — С. 59–63.
11. Цыбулькин Г. А. Робастный цифровой сенсор для дуго-
вой сварки // Там же. — 2001. — № 11. — С. 55–56.
Steady-state modes in the welding circuit during gas metal arc welding are considered. An approach is offered to evaluate
quality of the self-adjusting arc process based on the use of the error index method.
Поступила в редакцию 26.06.2009
ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕАЛИЗАЦИИ НАУЧНОГО,
РЕСУРСНОГО И ПРОМЫШЛЕННОГО ПОТЕНЦИАЛА
Промышленная конференция + блиц-выставка
18–22 февраля 2010 Славское, Карпаты
В рамках конференции состоятся семинары:
Оборудование. Инструменты. Оснастка. Перспективные металлические и неметаллические
материалы. Технологии. Наноматериалы и нанотехнологии. Научный руководитель — Коваленко
В. С., НТУУ «КПИ», г. Киев
Современные технологии ремонтно-восстановительных работ в промышленности. Научный
руководитель — Лобанов Л. М., ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины, г. Киев
Перспективы развития автодорожной отрасли. Строительные материалы. Научный руко-
водитель — Богомолов В. А., Харьковский НАДУ (ХАДИ)
Теоретические и прикладные проблемы трибологии. Защита материалов от коррозии. Научные
руководители — Похмурский В. И., Широков В. В., ФМИ НАН Украины, г. Львов
Горнодобывающая промышленность: технология, оборудование, безопасность и экология.
Научные руководители — Красник В. Г., МУП, Кулиш В. А., УкрНИИпроект, г. Киев
Круглый стол:
Приборы неразрушающего контроля и средства обеспечения надежности и безопасности в
отраслях промышленности в транспорте. Научный руководитель — Духовский А. Ю., директор
НПП «ИНТРОН-СЭТ», г. Донецк
Контакты: тел./факс: +38(044) 573-30-40,
моб.:+38-067-708-93-95
E-mail: office@conference.kiev.ua,
www.conference.kiev.ua
18 2/2010
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101410 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:20:49Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Цыбулькин, Г.А. 2016-06-03T10:42:22Z 2016-06-03T10:42:22Z 2010 Оценка качества процесса саморегулирования
 дуги / Г.А. Цыбулькин // Автоматическая сварка. — 2010. — № 2 (682). — С. 15-18. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101410 621.791.753 Рассмотрены установившиеся режимы в сварочной цепи при дуговой сварке плавящимся электродом в среде
 защитного газа. Предложен подход к оценке качества процесса саморегулирования дуги, основанный на применении
 метода коэффициентов ошибок. Steady-state modes in the welding circuit during gas metal arc welding are considered. An approach is offered to evaluate
 quality of the self-adjusting arc process based on the use of the error index method. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Оценка качества процесса саморегулирования дуги Tsybulkin G. A. Evaluation of quality of a self-adjusting arc process Article published earlier |
| spellingShingle | Оценка качества процесса саморегулирования дуги Цыбулькин, Г.А. Научно-технический раздел |
| title | Оценка качества процесса саморегулирования дуги |
| title_alt | Tsybulkin G. A. Evaluation of quality of a self-adjusting arc process |
| title_full | Оценка качества процесса саморегулирования дуги |
| title_fullStr | Оценка качества процесса саморегулирования дуги |
| title_full_unstemmed | Оценка качества процесса саморегулирования дуги |
| title_short | Оценка качества процесса саморегулирования дуги |
| title_sort | оценка качества процесса саморегулирования дуги |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101410 |
| work_keys_str_mv | AT cybulʹkinga ocenkakačestvaprocessasamoregulirovaniâdugi AT cybulʹkinga tsybulkingaevaluationofqualityofaselfadjustingarcprocess |