Датчики для дуговой сварки - Sensors for arc welding
 | эта статья не цитировать Любые источники. (Январь 2013) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения) |
Датчики для дуговой сварки представляют собой устройства, которые - как часть полностью механизированного сварочного оборудования - способны получать информацию о положении и, если возможно, о геометрии предполагаемого сварного шва на заготовке и предоставлять соответствующие данные в подходящей форме для контроля сварочная горелка позиции и, если возможно, для дуговая сварка параметры процесса.
Введение
Качество сварного шва зависит, помимо параметров сварки, которые важны для процесса сварки (например, Напряжение, текущий, подача проволоки и скорость сварки) также в основном из-за типа подводимой энергии процесса и используемого присадочного материала. Расположение горелки напрямую влияет на поток материала. Подвод тепла для плавления кромок компонентов и устойчивый тепловой поток, кроме того, напрямую связаны с направлением горелки и оказывают существенное влияние на качество сварки и на получаемые в результате остаточные напряжения. При полностью механизированной и автоматизированной сварке в защитных газах неточности направления горелки, обращения с заготовкой, подготовки канавок и термической деформации вносят свой вклад в вариации положения кромки и геометрии кромки. При полностью механизированной сварке информация, необходимая для качества сварки, регистрируется с помощью датчиков. Датчики применяются для проверки положения компонента (определение начала и конца сварки), для отслеживания соединения и для адаптации параметров процесса к изменениям соединений / канавок. Датчики можно использовать онлайн (вместе / одновременно с процессом сварки) или автономно (на отдельном этапе работы перед сваркой). Датчики в основном используются для отслеживания суставов в режиме онлайн.
Принципы
Все физические принципы, которые способны предоставить информацию о положении объекта, подходят в качестве исходной основы для сенсорной функции. Однако условия окружающей среды, преобладающие при дуговой сварке, а также требования, предъявляемые к полностью механизированному оборудованию, имеют, как следствие, множество ограничений. На рисунке 1 показан обзор системы. Стратегия контроля датчика (процесс или геометрия) выбрана в качестве критерия высшего уровня, дальнейшее подразделение ориентировано на принцип измерения. Еще одной отличительной особенностью сенсорных систем является их конструкция. Таким образом, опережающие датчики отличаются тем, что точка измерения и точка соединения не находятся в одном и том же положении. Здесь процесс измерения и соединения в основном выполняется последовательно. Чтобы сделать относящиеся к положению утверждения о процессе сварки, эти системы требуют калибровки относительного положения. Если используются сенсоры, ориентированные на процесс, точка измерения и точка соединения идентичны. Общим для всех принципов измерения является тот факт, что посредством оценки сигнала датчика геометрическая информация о соединении и его относительном положении относительно измеряемого голова предоставляется. Отдельные активные принципы позволяют разную скорость обработки для получения информации.
Ориентированный на геометрию
Датчики, ориентированные на геометрию, получают свои сигналы от геометрии канавки или от края или области, ход которых совпадает с канавкой.
Тактильные датчики
Электрические контактные датчики для отслеживания суставов и / или измерения заготовки представляют собой один из типов тактильных датчиков. Датчик имеет электрический контакт с заготовкой, электропроводящий Заготовка входит в измерительную цепь датчика. Датчики механического контакта относятся ко второй категории тактильных датчиков. Оценивается механическое отклонение сканирующего элемента, контактирующего с заготовкой.
Электрические контактные датчики
Следуя определенной стратегии поиска, системы электрических контактных датчиков сканируют начало сварки или другие точки отслеживания, контактируя с заготовкой с частями / компонентами, которые были подвергнуты напряжению (постоянное напряжение от нескольких десятков вольт до 1 кВ, в зависимости от материала и поверхность ) сварочного оборудования (сопло защитного газа, сварочный электрод, щуп и т.п.) Это означает автономное измерение начала сварки, положения детали или геометрии детали перед сваркой. Зная запланированный путь, выполняется преобразование точек трека в соответствии с измеренными условиями. В этом случае корректирующие действия в процессе сварки не производятся.
Термический
Здесь тепловой поток измеряется двумя термопары которые расположены на сварочной горелке, тепловой поток используется для бокового / поперечного управления и регулировки высоты резака. Ориентация горелки по направлению к канавке определяется путем сравнения температуры датчиков двух термопар. Если ориентация горелки симметрична, разница излучаемого теплового потока равна нулю, равно как и разность температур термопар. В зависимости от поперечного смещения горелки термопары подвергаются различным тепловым потокам из-за деформации дуги, а также из-за изменения положения ванны расплава.
Механический контакт
Системы механического контакта преобразуют отклонение сканирующего элемента непосредственно в электрические управляющие сигналы. Различают следующие принципы работы трансформатора:
- микропереключатель
- потенциометр
- оптический преобразователь (световые барьеры или аналогичный)
- индуктивный трансформатор
Из-за необходимого расстояния точек срабатывания / разрыва на одном уровне трансформаторы, оснащенные микровыключателями, имеют гистерезис управления в рабочей точке, что приводит к ограниченной воспроизводимости точность. Электрическое смещение рабочей точки невозможно. Другие, вышеупомянутые трансформаторные системы (использование оптических систем, вероятно, ограничено по конструктивным причинам) вырабатывают аналогичные сигналы пропорционально отклонению сканирующего элемента и позволяют, таким образом, пропорциональное ошибкам отслеживание сварочной головки, а также электрическое смещение рабочей точки через вышестоящий контроль, например при многослойной сварке. Выходные сигналы наиболее часто используемых систем с индуктивными измерительными трансформаторами находятся в диапазоне от 0 до 10 В постоянного тока, в зависимости от отклонения сканирующего элемента (рисунок 2).
Граничные условия
Любое нарушение электрического контакта между сканирующим элементом датчика и заготовкой в случае датчиков с электрическим контактом является проблематичным, например сварочные брызги на сопле защитного газа, окалина и катящаяся пленка на поверхности заготовки или через конец проволочного электрода, который расплавлен сфероидально и налипает шлак. При использовании датчиков механического контакта сканирующие элементы должны быть адаптированы к соответствующей канавке формы. Стыковые швы с квадратной подготовкой стыка должны иметь зазор между кромками более 3 мм; в стыках внахлест верхняя пластина должна иметь толщину более 3 мм. Датчик должен быть установлен отдельно от сварочной горелки. Таким образом, сканирование канавок в основном выполняется в переднем положении перед горелкой. Если сварные швы в основном прямые, эта регулировка не проблема. Также можно использовать массивы сканирующих элементов (например, вилочные штангенциркули или отдельные сканирующие элементы для сканирования по высоте и по горизонтали, которые позволяют сканировать на уровне горелки и, таким образом, сканирование сварных швов, которое почти не имеет ошибок. Помимо направления горелки вдоль сварочной канавки, Датчики механического контакта также могут применяться для определения начала и конца сварного шва.
Оптический
Оптические датчики относятся к группе бесконтактных датчиков с геометрической ориентацией (Рисунок 1). Для поиска информации сварная канавка сканируется детектором излучения, который регистрирует оптическое излучение измеряемого объекта. Полупроводниковые датчики изображения применяются для обнаружения излучения. Принципы оптического измерения делятся на датчики с активным структурированным освещением и без него. Если нет активного структурированного освещения, для регистрации сигнала используется камера. Камера наблюдает за заготовкой и извлекает необходимую информацию из двухмерного полутон картина. Активное структурированное освещение означает применение источника света для определенного освещения определенных областей детали. Для последующего получения могут использоваться отдельные фотоэлементы, линии или массивы, в зависимости от их дизайна.
Рабочий режим
Для оптических измерений без активного структурированного освещения камера направлена на область сварной канавки, и интересующее место будет наблюдаться непосредственно. Это используется, например, для Сварка SA чтобы предоставить сварщику живую фотографию сварной канавки на мониторе. Мы знаем два полупроводник технологии распознавания изображений. В CCD камера (CCD: Charged Coupled Device) - самый известный и самый распространенный тип камеры, он также используется в стандартных видеокамерах. CMOS датчик изображения высокая входная динамика позволяет даже при горящей дуге записывать полезное изображение сварной канавки. Метод оптических измерений с активным структурированным освещением, в основном генерируемым лазер с определенным длина волны, часто используется для автоматизации сварочных процессов. Различают 1, 2 и 3-х мерные системы измерения. Поскольку измерение дуги напрямую невозможно, необходимо выдерживать определенное расстояние (опережение), которое зависит от типа и размера самой дуги.
При использовании одномерных систем измерения определяется расстояние от датчика до поверхности детали. Это осуществляется путем измерения времени работы. Еще один часто используемый метод - это лазерная триангуляция (рис. 4).
Расстояние до детали определяется по известным размерам датчика и углу триангуляции α. Этот тип одномерных оптических систем измерения расстояния широко используется в области промышленной автоматизации и поэтому предлагается многими компаниями. В автоматизированной сварке они часто используются для определения положения детали и / или канавки перед началом процесса сварки. Существуют различные типы конструкции систем датчиков с двумерным измерением. Из 1D триангуляционного датчика, двумерный лазерный сканер может быть получен из колебательного движения. Здесь геометрия канавки определяется посредством движения сканирования поперек канавки (рис. 5). В основном это осуществляется с помощью подвижного зеркала, встроенного в сенсорную головку.
В качестве альтернативы может быть выполнено колебательное движение всей сенсорной головки, однако это считается лишь особым применением одномерной измерительной системы. Преимущество лазерного сканера заключается в том, что при соответствующей скорости обработки условия освещения могут быть адаптированы для каждого отдельного точечного измерения расстояния, что приводит к равномерности освещения. Кроме того, из-за точечного освещения, лазерная точка проходит через концентрированную мощность лазера, а также через соответствующие оптические фильтры, по сравнению с мешающим излучением дуги, что легче обнаруживается детекторным элементом. Датчик светового участка устраняет недостаток подвижные части в головке датчика (Рисунок 6). Здесь поверхность не сканируется точечно, кроме того, вся геометрия фиксируется на одном изображении. Для этого точечный лазерный луч расширяется через оптику до линии, которая проецируется на поверхность заготовки поперек канавки в соответствии с линией сканирования сканера. Лазерная линия, в соответствии с тем же геометрическим принципом триангуляции, снова регистрируется детекторным элементом, но на этот раз двумерно. Для сбора данных можно использовать камеры CCD и CMOS с вышеупомянутыми свойствами.
В качестве выходного сигнала после предварительной обработки сигналов датчика лазерным сканером и датчиком светового сечения достигается так называемый профиль высоты измеренной геометрии канавки. Он представляет собой поверхность заготовки вдоль сечения на спроецированной лазерной линии. 3 D измерительные системы с активным освещением в основном используют метод светового сечения в сочетании с проекцией нескольких параллельных лазерных линий. При этом каждая линия создает профиль высоты. Благодаря расположению нескольких линий вдоль сварочной канавки достигается дополнительный размер, который показывает изменение профилей высоты геометрии канавки. Благодаря количеству строк разрешение в продольном направлении канавки увеличивается, однако затраты на обработку данных также увеличиваются. Подобно проецированию нескольких параллельных линий, возможно измерение через проецируемый круг или другие геометрические фигуры на поверхности детали.
Граничные условия
Общим для всех оптических методов измерения является то, что определенные точки канавок должны быть преобразованы из координат датчиков камер в координаты станка и / или детали. Для этого они должны быть откалиброваны на тестовых заготовках до начала процесса сварки, и должны быть предоставлены калибровочные матрицы. Более того, для применения алгоритмов обработки изображений информация о профиле канавки также должна быть предоставлена заранее. Это осуществляется путем обучения шаблонов, ввода геометрических параметров или обучения через тестовые заготовки. Для более полной обработки изображений для 2- и 3-мерных сенсорных систем обычно требуется компьютерная система для оценки; Вот почему для обмена данными используются имеющиеся в продаже интерфейсы для ПК, однако унифицированных интерфейсов для датчиков еще не существует.
Проблемы с приложением
В системах оптических датчиков проблемы возникают из-за принципа работы через рассеянный свет открытой дуги. Следовательно, измерение непосредственно в рабочей точке в большинстве случаев невозможно при использовании оптических датчиков, необходимо поддерживать определенное продвижение / расстояние. Дальнейшие нарушения процесса возникают из-за брызг сварочного шва, которые могут отрицательно повлиять на результаты обнаружения. Системы экранирования между датчиком и горелкой в определенной степени могут помочь. Исключением остается прямое наблюдение за дугой с помощью специальных камер для мониторинга процесса. Установка датчика перед дугой приводит к ограниченному доступу к углам деталей. Чтобы уменьшить эту проблему, наиболее важны максимально компактная конструкция / конструкция с коротким расстоянием подачи. Заранее заданная ориентация датчика, кроме того, ограничивает рабочее пространство робот. Для бесперебойной работы оптических компонентов по возможности следует избегать более сильного загрязнения / загрязнения (пыль и осаждение частиц сварочного дыма). Сменные защитные очки и защитные экраны в виде завес для сжатого воздуха - это лекарство. Качество измеряемой поверхности существенно влияет на результат измерения. Если поверхность сильно отражающая, нежелательные отражение возможны ошибочные измерения, матовые поверхности менее трудны. Постоянно меняющееся качество поверхности также приводит к проблемам. Поскольку оптические системы оснащены полупроводниковыми детекторами и комплексной электроникой, очень важно уделять внимание безопасности. электромагнитный скрининг. Это относится к датчику, блоку обработки изображения и его соединительным кабелям. Сенсорные системы с активной лазерной подсветкой особенно чувствительны к сильным колебаниям температуры, так как длина волны излучаемого света используемого лазерные диоды зависит от температуры лазера. Если температура окружающей среды и, следовательно, длина волны активного освещения изменяются, свет больше не может проникать через узкополосный оптический фильтр к фотоприемнику. Следовательно, требуется соответствующая защита от процесса сварки или охлаждения головки датчика. В зависимости от применяемой мощности лазера следует соблюдать особую осторожность при использовании датчиков с активной подсветкой. Длина волны применяемых систем часто находится в поле зрения, что означает классификацию на классы опасности 3А и 3В. Необходимо строго соблюдать соответствующие правила техники безопасности. При использовании оптических датчиков необходимо учитывать следующие моменты:
- учет ограничения доступности и рабочего пространства
- экранирование от мешающего света, исходящего от открытой дуги и сварочных брызг
- необходимо обратить внимание на отражательные свойства измеряемой поверхности
- избегать загрязнения оптических компонентов
- требуется электромагнитное экранирование электронных компонентов
- температурные колебания датчика необходимо компенсировать
- осторожность при работе с лазерным излучением
Индуктивный
Индуктивные датчики оценить ослабление высокочастотного электромагнитного поля, создаваемого вихревыми токами в заготовке. Применение типов конструкции с одним змеевиком позволяет корректировать боковые стороны или высоту. Датчики с несколькими катушками позволяют производить коррекцию в двух координатных направлениях и, кроме того, влиять на ориентацию сварочной горелки.
Емкостный
Емкостные датчики Измерьте емкость между заготовкой и электропроводящей пластиной малых размеров. Они предлагают возможность измерения расстояний в среде с неизменным диэлектрическая проницаемость.
Ориентированный на процесс
Датчики, ориентированные на процесс, получают свои сигналы от первичных или вторичных параметров процесса. Датчики дуги используют первичные параметры процесса (сварочный ток и / или напряжение) одной движущейся или двух неосциллируемых дуг для генерации сигналов коррекции высоты и боковой / поперечной коррекции .Эти датчики, конечно же, требуют также сканируемой геометрии канавки; однако точка измерения и точка соединения сравниваются с датчиками, ориентированными на геометрию, расположенными в одном и том же положении.
Дуга
Устойчивые рабочие точки при дуговой сварке развиваются как интерфейс между характеристикой процесса и характеристикой источника питания (рисунок 7). Характеристика процесса определяет связь между стабильным напряжением дуги и соответствующим номинальным током процесса при постоянных граничных условиях. Семейство характеристик достигается за счет изменения длины дуги / расстояния между горелкой.
При сварке TIG
Сварка TIG относится к процессам сварки неплавящимся электродом. Поэтому характеристику процесса часто называют характеристикой дуги. Прямое изменение рабочего расстояния компенсируется длиной дуги. В результате сопротивление дуги меняется. Короткие дуги имеют меньшее электрическое сопротивление, чем длинные дуги. При сварке TIG обычно используются источники питания с круто спадающей характеристикой. Таким образом, изменение длины дуги непосредственно ведет к изменению рабочего напряжения. Сравнительное измерение позволяет определить расстояние до заготовки.
При сварке GMA
В Сварка GMA, характеристика процесса на диаграмме "напряжение-ток" является результатом взаимодействия электрических свойств вылета проволоки и дуги. В принципе, стабильные рабочие точки достигаются за счет применения подходящих характеристик источника питания или за счет наложенных стратегий управления.
В точке 1 на фиг. 8 имеется стабильное равновесие, где энергия, которая была введена в процесс, достаточна для плавления непрерывно подаваемого проволочного электрода. В случае быстрого изменения расстояния дуга компенсирует изменение длины, точка 2. Меньшее сопротивление короткой дуги вызывает увеличение силы тока, что приводит к более быстрому плавлению вылета проволоки, пока снова не появится достигается стабильная рабочая точка, точка 3. Этот процесс компенсации занимает примерно от 100 до 200 мс. Датчик дуги оценивает оставшееся изменение силы тока между точкой 1 и точкой 3, чтобы получить параметр, пропорциональный расстоянию. В принципе, эта концепция оценки применима и к импульсной дуговой сварке. Концепция, которая была указана выше, в случае большинства датчиков дуги расширяется за счет поперечного сканирования геометрии канавки. Отклонение процесса к сварочным поверхностям позволяет провести сравнительное измерение расстояния между горелками. Вычислив разницу значений расстояния, можно оценить поперечное положение резака. Среднее значение обоих значений расстояния указывает высоту резака над канавкой. Для отклонения применяются разные концепции (рисунок 9). Механические колебания наиболее распространены и часто используются, особенно с роботами. В основном быстрые дефлекторные системы, например с магнитным или поворотным отклонением предлагают улучшение скорости сигнала и качества сигнала, тем не менее, при использовании этих систем необходимо рассчитывать более высокие затраты на оборудование. В двухпроводной технике обе грани слияния сканируются одновременно с использованием одной проволоки.
Граничные условия
Датчики дуги оценивают стабильные рабочие точки при дуговой сварке. Переменные возмущения процесса должны быть скомпенсированы с помощью подходящих стратегий фильтрации и оценки, которые не подвержены возмущениям. В случае одновременного контроля высоты и бокового контроля следует обратить внимание на то, что для систем дуговых датчиков подходят только геометрии канавок. Геометрия позволяет определять поперечное положение посредством сравнительного измерения поверхностей сплавления. Сварные швы V-типа и угловые швы подходят без каких-либо ограничений. Квадратные стыковые швы без зазора не подходят для бокового / бокового контроля. Имеющиеся в продаже датчики дуги пока не применимы для алюминий материалы.
Параметры вторичного процесса
Типы датчиков, которые наблюдают за ванной расплавом, ограничены в диапазоне их применимости из-за того, что размер ванны расплава и излучение дуги зависят от геометрических факторов, например плотность или состав материала (легирующие составляющие). Оптическое наблюдение области ванны расплава определяет изменения контура ванны расплава. Отклонение от контура, которое определяется как «идеальный», интерпретируется как неправильное положение или как изменение поведения процесса и впоследствии компенсируется.
Спектральный анализ
Спектральный анализ сигналов процесса сравнивает спектры излучения дуги или ванны расплава с предполагаемыми идеальными значениями. Прогибы указывают на изменение химического состава или на энергетические изменения зоны процесса.