Системы слежения за стыком при сварке. Принцип работы и выбор компонентов.

2 - х осевая лазерная система слежения для сварки При решении задач по механизации и автоматизации операций в сварочном производстве находят применение различные системы слежения.  Поговорим о достоинствах и недостатках применения различных типов систем слежения и принципам выбора необходимой системы для проектируемой автоматической установки или комплекса.

В основу работы различных систем слежения положены разные принципы обнаружения поверхностей свариваемых деталей – от простого механического контакта и отслеживания величины сварочного напряжения до сканирования поверхности разделки контактным методом или с помощью лазерного сенсора.
Основная разница между следящими и сканирующими системами при сварке сварке до появления лазерных систем была в том, что требовалось 2 прохода сварочной головки по изделию. При первом проходе определялось положением разделки по отношению к сварочному роботу или автомату, при втором –  сварка. Сейчас появились сканеры, позволяющие осуществлять сканирование и слежение за сварочным стыком одновременно с учетом расстояния между точкой сканирования и точкой сварки. датчик сканирующей системы для слежения по стыку Основной разницей в работе сканирующих и просто следящих систем является то, что сканирующие системы позволяют получать информацию об отклонениях объема разделки, отклонении величины зазора в корне шва – эти данные обрабатываются и в дальнейшем могут использоваться и для направления сварочной головки по стыку и для коррекции режима сварки в ходе процесса.   Система слежения за стыком просто обеспечивает следование головки с учетом отклонений в расположении стыка с определенной точностью.

Наиболее распространенные методы обнаружения поверхности стыка это тактильный, слежение за длинной дуги по напряжению, лазерное сканирование поверхности. Последний метод имеет более простую разновидность -ведь вовсе не обязательно следить именно за поверхностью стыка, если его положение можно с достаточной точностью определить по положению соседних деталей.  С помощью системы из лазерных дальномеров можно использовать поверхности собранного под сварку изделия в качестве копиров.  То же самое можно сделать и при помощи тактильной системы слежения и при помощи чисто механического копира.  Чем проще система слежения устроена и чем качественнее она собрана тем дольше срок ее бесперебойной работы. Зачем же тогда такие усложнения? Неужели нельзя обойтись механическим копированием?

Достоинства и недостатки различных способов обнаружения поверхности свариваемых изделий.

Механическое копирование

механическая система слежения на установке плазменной сваркиОсновные узлы конструкции это опорный ролик жестко связанный с салазками. Бытует мнение что точность работы этих систем слежения невысока – это не совсем верно. Все зависит от качества компонентов из которых собрана система. На рисунке справа такая система использована для коррекции положения плазменной горелки по вертикальной оси. Но есть и определенные границы применимости данных систем.  Нельзя применить такую системы слежения если свариваемые детали под ее нагрузкой буду деформироваться. Нельзя применить такую систему если процесс сварки связан с высоким разбрызгиванием или поверхность детали имеет неровности. Кроме того, нельзя располагать ролик – копир и суппорт этой системы близко к свариваемому шву.

Электромеханическое копирование в тактильных системах слежения

Основными узлами этой конструкции является датчик системы слежения со щупом имеющим различный набор наконечников, блока управления и электропривода линейных перемещений который воспринимает весь вес сварочной головки.тактильная система слежения за стыком Работа тактильных систем слежения возможна в одной или в 2-х осях. Щуп при сварке обычно следует по разделке шва впереди сварочной горелки,  данные о расположении поверхности обрабатываются достаточно простым контроллером и формируется сигнал на перемещение всей сварочной головки вверх/вниз или вправо/влево.   Работа таких систем слежения связана с некоторой погрешностью. У  части таких систем есть зона нечувствительности в равновесном положении. В связи с тем, что далеко не на всех комплектных системах слежения есть возможность регулировки скорости перемещения привода и величины зоны нечувствительности иногда возникают трудности при настройке системы  при изменении толщины стенок или формы разделки  одного и того же изделия. Значительное удлинение щупа, например для отслеживания корня глубокой разделки ведет к увеличению зоны нечувствительности и неэффективной и неточной работе системы слежения.

При работе тактильной системы слежения на основе адаптивной скорости реакции на вывод кончика щупа из равновесия – чем больше смещение тем больше скорость возврата – зона нечувствительности практически отсутствует- можно даже TIG сваркой пользоваться (только не на предельно малых токах).

Точность таких систем в разы больше традиционных , а возможность того что не хватит скорости реакции системы или она войдет в резонанс практически исключена.

Обнаружение поверхности касанием или посредством касания с электрическим контактом

Этот способ в сущности запоминает положение и форму разделки шва а в дальнейшем повторяет ее уже при сварке. Для этого требуется лишний проход сварного соединения сварочной горелкой или головкой. Хотя этот проход может выполняться и на увеличенной скорости и может длиться гораздо меньшее чем сама сварка время – но все таки это дополнительная операция с соответствующими затратами времени. К преимуществам можно отнести возможность получения общей картины расположения шва и реальной формы разделки и дальнейшей обработкой полученных данных так же как и при использовании сканирующей системы. Частично этот способ обнаружения и дальнейшей коррекции траектории движения горелки по шву с успехом используется в робототехнических сварочных комплексах. В основном с помощью него решается задача внесения поправок на неточность изготовления деталей и неточность позиционирования узла и сборочно сварочного приспособления относительно робота. К значительным минусам этого способа можно отнести ограниченную возможность коррекции положения горелки по стыку непосредственно в процессе сварки и как следствие невозможность внесения поправок при деформации детали во время сварки. Использование бесконтактных датчиков положения (Лазерных сенсоров и сканеров) для этих целей находит применение. Преимущество – увеличивается скорость обхода контура и , если возможно – сканирование и сварка идет одновременно – но и тут много ограничений. Основная область применения таких систем – это разделки с малым раскрытием или… обработка корректировки режима в зависимости от отклонения формы разделки. Последнее очень трудоемко в настройке – может лучше  ответственно подойти к сборке под сварку и к заготовительным операциям.

Использование бесконтактных датчиков – дальномеров


Такие датчики можно использовать для одно или 2-х осей. По сравнению с тактильной системой слежения есть и плюсы и минусы – с одной стороны поверхность раздели не затрагивается, а с другой – если на тактильное отслеживание наложить поперечные колебания скомпоновать системы получится со значительным расстоянием между горелкой и щупом. Также нужно будет подстраивать систему вручную после каждого прохода по разделке, если шов многопроходный. Обработка сигнала  от датчиков идет с оцифровкой – так что внесение коррекции при последующих проходах возможно программное – а диапазон рабочего расстояния от поверхности может составлять и 100 и 200 мм.

Слежение за длиной дуги по напряжению

широко используется при сварке TIG ( аргонодуговой сварке не плавящимся электродом). Этот способ не требует применения дополнительных сенсоров, кроме как получения со стороны источника питания для аргонодуговой сварке данных о напряжении на дуге. С появлением импульсной аргонодуговой сварки работа системы слежения осложнилась, еще больше осложняется работа этих систем при применении наряду с импульсной сваркой импульсной подачи присадочной проволоки. Настройка устойчивой работы далеко не всех систем слежения AVC возможна под такое сочетание параметров режима сварки. Также стоит отметить что современные источники питания для сварки TIG имеют возможности саморегулирования процесса, настройки “жесткости дуги”. Разумеется результатом такого регулирования является внесение изменений в зависимость напряжение на дуге – длина дуги. Напряжение на дуге при аргонодуговой сварке невысоко, как правило его значение система слежения получает с выхода источника питания (в современных инверторах есть даже специальные платы и выходы для этого) – но физическое значение напряжения на дуге может отличаться от полученного таким образом. Переходные сопротивления сварочной цепи и наконец износ вольфрама могут вносить существенные изменения. При внешней простоте устройства к применению этих систем слежения нужно подходить с разумной осторожностью.

Интеграция AVC – системы контроля за длинной дуги со сварочным оборудованием.

Если в автоматизированной сварочной установке используется робо-интрефейс для связи со сварочным источником  и он поддерживает функции передачи данных о фактическом напряжении на дуге – то нет необходимости устанавливать вообще какие либо отдельные блоки для отработки функции слежения за длинной дуги по напряжению – они могут быть обработаны центральным контроллером установки, если хватает быстродействия. Такая реализация это и отсутствие наводок и помехозащищенность и … надежность – так как современные источники все равно замеряют фактическое значение тока и напряжения а еслине получают этих данных – то не работают.  Никаких дополнительных узлов нет – в этом случае дополнительные функции никак не сказываются на показателях надежности оборудования

Суппорты или системы линейных перемещений для систем слежения по стыку

головка с системой слежения по стыку на сварочной колонне фотоНа фото слева показано головка Lincoln Na-5 смонтированная  на сварочной колонне вместе с тактильной 2-х осевой системой слежения за стыком.  и камерой дистанционного наблюдения за зоной сварки. Этот проект делался около 7 лет назад, сварочная колонна в интенсивной эксплуатации и работает нормально. В системе слежения за стыком используются шариковые направляющие и передачи типа винт шариковая гайка с приводом  через самотормозящийся червячный редуктор. Защита направляющих и ходового винта – спиральными металлическими кожухами.   К сожалению сейчас приходиться сталкиваться с установкой суппортов системы слежения на направляющих типа ласточкиного хвоста и с простыми ходовыми гайками. Увы- ресурс таких систем линейных перемещений, особенно если использовать для сварки в ограниченном пространстве (например внутри обечаек) будет крайне невысок. Что же касается электрической части – то за работу данной системы слежения отвечает стандартное логическое реле Moeller Easy. Кроме того, заказчик пожелал чтобы сварка была возможна после ручной дуговой строжки корня шва. Пришлось изменить скорость реакции системы слежения за стыком чтобы избежать блуждания дуги по разделке низкого качества. Можно ли было бы использовать эту же систему слежения не при SAW а при MIG-MAG сварке? Нет – ресурс был бы снижен – в первую очередь за счет образования мелкодисперсной пыли – для такого метода сварки надежно работающая в случае сварки под флюсом защита направляющих линейных суппортов скорее всего не выполнила бы свои функции и был бы значительный износ суппортов.   В этом случае разумнее, хотя и менее долговечна защита несгораемыми гофрированными кожухами. Во первых механические части удалены от зоны сварки и, во вторых надежно закрыты от загрязнений. В случае использования для длительного режима и больших сварочных токов, работе в ограниченном пространстве, при наплавке  (портал на фото только для сборки балки)  такие суппорты можно оснастить еще и охлаждением.

Можно ли использовать системы слежения по стыку не только для коррекции  положения сварочной горелки но и вообще для направления горелки по стыку по одному из основных направлений движения при сварке

наладка установки для сварки шнеков
Пример 1. Использование бесконтактных лазерных датчиков -дальномеров для сварки шнека.

В данной установке скорость движения продольной каретки может не задаваться вообще, какие либо копиры отсутствуют- копиром служит сам шнек. Датчики служат для коррекции положения головки с двумя горелками по высоте и сдвига каретки вдоль шнека.  Замечу, что для наплавки поверхностей гребней шнеков такая схема возможна далеко не всегда – зависит от размеров шнека и его профиля, ширины и высоты гребней- возможно применения комбинированной системы слежения – тактильная и бесконтактный лазерный датчик для таких применений.

Пример 2. Интеграция системы слежения за стыком на оси сварочной колонны.

Сварочная колонна должна обладать малой инерцией, обладать плавной регулировкой скоростей движения по  нужной оси. Ее приводы должен не иметь люфтов в зацеплении и достаточно большим ресурсом.
В системе слежения и управления движением  этой установки для сварки кольцевых швов обечаек неправильной (эллипсоидной) формы использованы дополнительные сенсоры:
– Датчик обратной связи по скорости сварки. Этот датчик выполнен в виде энкодера установленного на ось одного из дисков, окатывающих обечайку.
– Инклинометр ( датчик угла наклона оси к горизонтали) позволяет отслеживать положение сварочной головки по отношению к зениту и вести сварку либо в зените либо с постоянным значением на спуск или на подъем.
– Щуп контактной системы слежения для автоматической коррекции высоты головки по высоте и в направлении поперек шва.
В установке для сварки кольцевых стыков емкостей овального поперечного сечения движение вверх и вниз интегрировано на систему подъема опускания консоли сварочной колонны. Автоматическая коррекция положения всей головки с датчиками системы слежения и сварочной горелкой по отношению к зениту выполняется выкатом консоли сварочной колонны. Скорость вращения  планшайбы сварочного позиционера должна плавно меняться во время сварки кольцевого стыка. После начала движения с установленной угловой скоростью вращения планшайбы сварочного позиционера начинается ее коррекция по датчику скорости. Понятно, что на скорость сварки оказывает влияние и необходимое изменение положения горелки к зениту и соответственные движения консоли сварочной колонны.
Конечно возможно запрограммировать необходимые координаты головки и изменения скорости вращения овальной обечайки при сварке, необходимы углы поворота ( разделить сварочный шов на сектора) согласно его теоретическому расположению на сварочной установке. Затем добавить в работу сканирующую систему слежения или отдельно определять реальное положение сварного шва овальной обечайки перед сваркой. Это уже достаточно сложное и трудоемкое в программировании и отнюдь не более дешевое решение.  При этом форма обечайки и точность ее установки на сварочный позиционер должны быть все равно высокими. Но что делать если форма обечаек в производстве разная или геометрически неправильная? Программировать каждую из них или выполнять достаточно долгий обход сканирующей системы перед каждой сваркой для внесения данных о реальной форме и расположении обечайки в программу работы установки. Описанная выше система слежения за стыком и управления движениями сварочной головки позволяет работать с такими обечайками без предварительного прохода, но с одним ограничением – не должно быть резких изменений формы  и вогнутых зон. Создание программы в том же объеме как при обучении сварочного робота не требуется.

С кратким описанием стандартных комплектов систем слежения для сварки можно ознакомиться в каталоге на этом сайте ( ссылка откроется в новом окне)



Отзывов (2)

  1. Игорь пишет:

    Вы пишите что ваша тактильная система слежения ( с щупом) не имеет нулевой точки и поэтому она точнее и может использоваться для TIG -- сварки . Но мне неясно как быть с присадкой, особенно если подаваемая проволока жесткая. Насколько это возможно объединить?

    • kusto пишет:

      Случаи бывают разные. Иногда это можно объединить, иногда… непонятно как, но можно обойти.
      Как пример -- компоновка горелки и датчика системы слежения под подачу присадки 1.6 мм ( можно и 2.0 мм)

Ваш запрос, отзыв или комментарий

Все поля заполняются на Ваше усмотрение.

Используются файлы cookie, чтобы улучшить работу и повысить эффективность сайта. Продолжая пользование данным сайтом, Вы соглашаетесь с использованием файлов cookie.