CC BY
30
УДК 621.791.763.2
С. М. Фурманов, Д. Н. Юманов, И. Н. Смоляр, И. Д. Камчицкая
КОМПЬЮТЕРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ С ПОМОЩЬЮ СРЕДЫ ГРАФИЧЕСКОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ LABVIEW
UDC 621.791.763.2
S. M. Furmanov, D. N. Yumanov, I. N. Smolar, I. D. Kamchitskaya
COMPUTER CONTROL OF THE PROCESS OF RESISTANCE WELDING IN THE LABVIEW GRAPHICAL PROGRAMMING ENVIRONMENT
Аннотация
Разработан программный код корректирующей системы автоматического регулирования мощности тепловложения в межэлектродную зону в процессе контактной точечной и рельефной сварки. Компьютерное управление осуществляется в среде графического программирования LabVIEW. Оно заключается в ожидании нажатия на педаль сварочной машины и запуске блока цикла сварки, который с помощью таймеров-счетчиков отсчитывает интервалы времени предварительного сжатия, сварки, проковки, паузы, управляет включением катушек электропневмоклапанов сжатия и проковки. Включение сварочного тока осуществляется после отсчета предварительного сжатия путем задания напряжения управления и угла открытия тиристоров для блока управления симисторами и тиристорами ОВЕН БУСТ2.
Ключевые слова:
контактная точечная и рельефная сварка, компьютерное управление процессом сварки, система автоматического регулирования мощности тепловложения, блок цикла сварки, блок управления тиристорами, угол открытия тиристоров.
Abstract
The program code of the corrective system for automatic regulation of heat input to the interelectrode zone in the process of resistance spot welding and resistance projection welding was developed. The computer control is carried out in the LabVIEW graphical programming environment. It comprises the wait to press the welding machine pedal and the start of the welding cycle unit, which, by means of timers-counters, counts time intervals for pre-compression, welding, peening and pause, as well as controls the activation of coils of electropneumatic valves of compression and peening. The welding current is switched on after the time of preliminary compression is counted, by setting the control voltage and changing the opening angle of the a thyristor contactor.
Keywords:
resistance spot welding and resistance projection welding, computer control of the welding process, automatic heat input control system, welding cycle unit, thyristor control unit, thyristor opening angle.
Компьютерное управление процессом контактной сварки позволяет обеспечить не только точное воспроизведение режима сварки и контроль основных параметров режима (сварочный ток, напряжение между электродами, усилие сжатия электродов), но и генерировать принципиально новые законы регулирования, которые в дальнейшем могут ис-
пользоваться при построении серийных контроллеров контактной сварки.
Компьютерная диагностика и управление контактной сваркой обеспечивают существенное повышение качества благодаря использованию большого объема данных и вычислительных алгоритмов при помощи автоматизированной системы на базе персонального
© Фурманов Се. М., Юманов Д. Н., Смоляр И. Н., Камчицкая И. Д., 2019
компьютера [1].
ЭВМ в связке с микроконтроллером становится универсальным инструментом для реализации алгоритмов управления любой сложности, при этом экономятся материальные затраты на другие дорогостоящие аппаратные средства и модернизацию устройства самой сварочной машины [2]. Вместе с тем существует возможность детальной записи и последующего замедленного воспроизведения необходимого потока данных, получаемого в процессе сварки, с их дальнейшим анализом.
Практический интерес имеют регистрация и измерение мощности теп-ловложения в межэлектродную зону в процессе сварки. Для измерения этого параметра необходимо знать величину сварочного тока и напряжения на участке электрод - электрод. Мощность теп-ловложения в свариваемые детали достаточно полно характеризует протекание процесса сварки и позволяет с большей достоверностью прогнозировать качество получаемого соединения.
Среда графического программирования ЬаЬУ1ЕШ предназначена для разработки виртуальных прототипов реальных систем управления, создания терминалов управления, отладки прототипов систем в интерактивном режиме и внедрения их в реальные устройства под управлением персональной ЭВМ. Программа ЬаЬУ1ЕШ позволяет не только имитировать электротехнические приборы, датчики, регуляторы, но и программировать ход протекающих через них электрических сигналов. Это возможно благодаря мощной инструментальной библиотеке данного программного продукта [3].
Структурная схема программного кода корректирующей системы автоматического регулирования мощности теп-ловложения в межэлектродную зону при контактной сварке представлена на рис. 1.
Запуск машины контактной сварки осуществляется нажатием на педаль пуска ББ1. При этом в программе
срабатывает цифровой триггер PFI 0 (разъём J1_DIO) и запускает блок цикла сварки, который с помощью таймеров-счетчиков отсчитывает интервалы времени предварительного сжатия, сварки, проковки, паузы. Блок цикла управляет включением катушек электропнев-моклапанов сжатия и проковки (ЭПК 1 и ЭПК 2), а также включением сварочного тока цифровым триггером PFI 1 (разъём J1_DIO) заданием напряжения управления Цу и, соответственно, угла открытия тиристоров а для блока управления тиристорами ОВЕН БУСТ2.
Блок БУСТ2 открывает тиристоры с начальным углом управления an = amax и подключает трансформатор сварочный ТС к сети, во вторичной цепи которого начинает протекать сварочный ток. Во время сварки измеряются сетевое напряжение ui трансформатором TV2 (аналоговый вход AI0-AIGND, несимметричная заземленная схема подключения RSE, разъём J2_AI), напряжение межэлектродной зоны иээ (дифференциальный аналоговый вход AI2 - AI10 DIFF) и сварочный ток 12 (дифференциальный аналоговый вход AI3 - AI11) с помощью датчиков тока и напряжения.
Начало расчета действующих значений (RMS) параметров U1, Цээ, I2 определяется с помощью аналогового триггера на входе APFI 0 (Start Analog Edge), уровень срабатывания которого задается выражением [1]
Цм ■cos ф, (1)
где Ucm - амплитудное значение напряжения сети; Кт - коэффициент трансформации вспомогательного измерительного трансформатора TV2, Кт = 76.
Начало расчета действующих значений (RMS) совпадает с переходом через ноль установившегося полнофазного (принужденного) тока 1пр [2, 4-6].
NI 6251 USB
ТС
Датчик напряжения
<
Датчик тока
L2
TV2
L1
Vrms
76
J2_AI I
AI О All AI2 AI 3 AI4 AI5 AI 6 AI 7 AI8 AI 9 AHO AI 11 AI 12 AI 13 AI14 AI15
AISENSE
APFIO -
AIGND
Расчет действующих значений
иээ
12
Расчет мощности и сопротивления
Р2
Raa ->
VSA .
Полнофазная мощность
Р2п
Табличное задание мощности тепловложения
Р2зад
Коэффициент регулирования
мощности в (п+1)-м периоде
Ksn+1
VS1
VS2
L2 L1
380 В, 50 Гц
"Г
БУСТ2
-1С4(ДС1) + IG4
+ IG1 -IG1 (L1)
L2 N
10 В ОБЩ
X
ОБЩ
Uy
J3AO
дэо
ДЭ1
ЭПК1 сжатия
ЭПК2 проковки
Клапан 1
I"] Клапаны +U ^
Клапан 2
БПСН
SB1
Педаль пуска
J1DIO
Р0.1 Р0.2 DGND
PFI 1 PFI 0
Начало расчета " параметров Start Analog Edge
Источник внутренней синхронизации ЮкГц
Измерение времени включения тиристора CI Pulse Width
Задание начального угла управления тиристорами
Расчет 005
коэффициента мощности сое ф
iJ- n ~~ <J- max
Угол управления тиристорами в (п+1)-м периоде
ап+1
*'
иу Г
Напряжение управления
" ссп
Кза
Расчет коэффициента регулирования мощности
%
Запуск цикла сварки. Отсчет интервалов времени сжатия, сварки, проковки, паузы
Рис. 1. Структурная схема программы корректирующей системы автоматического регулирования мощности тепловложения в межэлектродную зону при контактной сварке
На основании Шэ и I2 рассчитываются мощность тепловложения P = UfeI2 и сопротивление межэлектродной зоны Rээ = / I2 в текущем полупериоде.
Во время протекания тока блок БУСТ2 формирует прямоугольный импульс, равный по времени длительности включенного состояния тиристоров X. Этот сигнал поступает на вход счетчика ctrü PFI9 (разъём J4_DIO), с помощью которого осуществляется измерение ширины импульса X (CI Pulse Width).
Далее на основании начального угла управления тиристорами an = amax и длительности включенного состояния тиристоров X по аппроксимирующей зависимости определяется коэффициент мощности CüS9 = f (an, X) сварочной машины [3].
Расчет коэффициента регулирования мощности происходит по аппроксимирующей зависимости kSA = f (an, CüS9) [1, 3].
Зная коэффициент регулирования мощности kSA и мощность тепло-вложения P2 в текущем полупериоде, можно найти полнофазную мощность P2n = P2/kSA.
Задание мощности тепловложе-ния P2зад осуществляется в табличном виде с интервалом 10 мс, равным полупериоду сетевого напряжения.
Таким образом, коэффициент регулирования мощности kSn+1 в следующем (n + 1)-м периоде можно найти из соотношения kSn+1 = рзад / P2n. Зная коэффициент kSn+1, можно определить угол управления тиристорами в (n + 1)-м периоде an+1 и сформировать напряжение управления Uy для блока БУСТ2 на аналоговом выходе AOO-GND (разъём J3_AO).
Далее процесс пересчета повторяется в соответствии с заданной мощностью Рзад. Выключение тока происходит при задании нулевой мощности, при этом начинается отчет времени проковки сварного соединения. После выдержки паузы между сварками циклограмма
процесса запускается сначала.
Для отработки циклограммы сварки используется виртуальный блок цикла сварки, построенный на основе кадровой последовательности «Stacked Sequence Structure». В каждом кадре формируется цикл «While Loop», который повторяет диаграмму внутри него до тех пор, пока не появится логический сигнал выхода из цикла.
В первом цикле структуры происходит ожидание нажатия педали и запуск циклограммы сварки (рис. 2). При нажатии на педаль срабатывает цифровой триггер PFI 0/P1.0 (см. рис. 1). Блок «Convert to Dynamic Data» преобразует цифровой сигнал триггера в логический тип «Boolean» («TRUE» или «FALSE»). При появлении сигнала «TRUE» происходит завершение данного цикла и переход к следующему. Кроме того, в первом цикле осуществляется построение массива логических цифровых сигналов («Build Array») для управления электропневмоклапанами сжатия (Кл. 1), проковки (Кл. 2) и включения сварочного тока. Начальное значение всех цифровых сигналов - «FALSE».
Во втором цикле происходит задание и отсчет времени предварительного сжатия электродов с помощью таймера «Elapsed Time» (рис. 3). Если значение входа «Set Start Time (s)» равно 0, текущее абсолютное время используется как время начала отсчета. При этом задается логический сигнал «TRUE» управления клапаном сжатия, срабатывает цифровой выход P0.1 (см. рис. 1) и электроды сварочной машины сжимаются с усилием сжатия Fcж.
На входе «Time Target (s)» задается время предварительного сжатия, по истечении которого на выходе «Time has Elapsed» устанавливается высокий уровень «TRUE», и цикл завершается.
В третьем цикле задается и отсчи-тывается время протекания сварочного тока (рис. 4). Для непрерывной работы таймера «Elapsed Time2» начало отсчета
на входе «Set Start Time (s)» совпадает с отсчетом времени предварительного сжатия в предыдущем цикле, а на входе
«Time Target (s)» устанавливается сумма времени предварительного сжатия и времени протекания тока.
Рис. 2. Ожидание нажатия педали и запуск циклограммы сварки
Рис. 3. Задание времени предварительного сжатия электродов
Рис. 4. Задание времени протекания сварочного тока
Включение тока осуществляется логическим сигналом «TRUE», при этом срабатывает цифровой триггер PFI 1/P1.1 (см. рис. 1). Далее идет задание мощности Р2зад в табличном режиме с интервалом 10 мс и формирование сигнала управления Uy блока БУСТ2 с коррекцией в каждом полупериоде сварочного тока. Для гарантированного выключения тока на последнем интервале продолжительности сварки должна быть задана нулевая мощность для обнуления аналогового выхода AOO-GND.
В четвертом цикле начинается проковка сварного соединения. Для непрерывной работы таймера «Elapsed Time3» начало отсчета на входе «Set Start Time (s)» устанавливается равным сумме времен предварительного сжатия и протекания тока, а на входе «Time Target (s)» к ним добавляется время проковки (рис. 5). При этом задается логический сигнал «TRUE» управления клапаном проковки, срабатывает цифровой выход P0.2 (см. рис. 1) и к сварному соединению прикладыва-
ется повышенное усилие проковки Fkob. Цикл завершается после отсчета времени проковки.
Заканчивается кадровая последовательность пятым циклом задания времени паузы между сварками. При этом для всех логических сигналов задается низкий уровень «FALSE», электроды сварочной машины разжимаются (рис. 6). Для таймера «Elapsed Time4» начало отсчета на входе «Set Start Time (s)» устанавливается равным сумме времен предварительного сжатия, протекания тока и проковки, а на входе «Time Target (s)» к ним добавляется время паузы. Если программа LabVIEW запущена командой «Run», то после отсчета времени паузы процесс сварки останавливается, отрабатывается режим «Одиночная сварка», если команда запуска -«Run Continuously», то при удержании педали пуска устанавливается режим «Автоматическая сварка» с многократным повторением через заданную паузу между сварками.
Рис. 5. Задание времени проковки сварного соединения
□ □□□□□□□□□□□□□□□□□о о □□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□ г] □ с Рис. 6. Задание времени паузы между сварками
В процессе выполнения кадровой последовательности создается локальная переменная «Цифровые сигналы», которая используется для формирования в отдельном цикле цифровых выходов P0.1 (сжатие), P0.2 (проковка) и триггера PFI 1/P1.1 (включение тока) (рис. 7). Еще одна локальная переменная «Time has Elapsed» используется для перезапуска программы и сброса таймеров во время отсчета паузы между сварками. В начале выполнения пятого цикла последовательности (см. рис. 6) логический
сигнал «Time has Elapsed» сбрасывается в нулевое значение «FALSE», при этом цикл формирования цифровых выходов (см. рис. 7) останавливается, т. к. через инвертор «Not» срабатывает условие завершения цикла.
После отсчета паузы сигнал «Time has Elapsed» снова устанавливается в высокое состояние «TRUE» и разрешает работу цикла формирования цифровых выходов, при этом таймеры начинают отсчет сначала.
Рис. 7. Цикл формирования цифровых выходов и сброса таймеров во время отсчета паузы между сварками
Таким образом, разработанный программный код корректирующей системы автоматического регулирования мощности тепловложения в межэлектродную зону в процессе контактной точечной и рельефной сварки позволяет осуществлять запуск блока цикла сварки, отсчитывать интервалы времени предварительного сжатия, сварки, проковки, паузы, управлять включением катушек электропневмоклапанов сжатия и проковки, а также включением сварочного тока с коррекцией мощности
тепловложения в зону сварки в каждом полупериоде сетевого напряжения.
Выводы
1. Разработана структурная схема программного кода корректирующей системы автоматического регулирования мощности тепловложения в межэлектродную зону в процессе контактной точечной и рельефной сварки, осуществляющая компьютерное управление в среде графического программирования LabVIEW.
2. Для отработки циклограммы сварки разработан виртуальный блок цикла сварки, осуществляющий ожидание нажатия на педаль сварочной машины, отсчет с помощью таймеров-счетчиков интервалов времени предварительного сжатия, сварки, проковки и паузы, управление включением катушек электропневмоклапанов сжатия и проковки, а также включением сварочного тока путем задания напряжения управ-
ления Цу и угла открытия а тиристор-ного контактора.
3. Разработанная корректирующая система автоматического регулирования позволяет осуществлять коррекцию мощности тепловложения в межэлектродную зону в процессе контактной точечной и рельефной сварки в каждом полупериоде сетевого напряжения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. О фазовом регулировании мощности тепловложения в межэлектродную зону при контактной сварке / С. М. Фурманов, А. Ю. Поляков, Д. Н. Юманов, А. Н. Кухарев // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. -2018. - № 1. - С. 80-91.
2. Климов, А. С. Контактная сварка. Вопросы управления и повышения стабильности качества / А. С. Климов. - Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2011. - 216 с.
3. Аппаратная реализация корректирующей системы регулирования мощности тепловложения при контактной рельефной сварке / С. М. Фурманов, Б. В. Федотов, Д. Н. Юманов, И. Н. Смоляр // Сварка и Диагностика. - 2018. - № 5. - С. 35-40.
4. Глебов, Л. В. Устройство и эксплуатация контактных машин / Л. В. Глебов, Ю. И. Филиппов, П. Л. Чулошников. - Ленинград: Энергоатомиздат, 1987. - 312 с.
5. Патон, Б. Е. Электрооборудование для контактной сварки. Элементы теории / Б. Е. Патон, В. К. Лебедев. - Москва: Машиностроение, 1969. - 440 с.
6. Оборудование для контактной сварки: справочное пособие / Под ред. В. В. Смирнова. - Санкт-Петербург: Энергоатомиздат, Санкт-Петербургское отд-ние, 2000. - 848 с.
Статья сдана в редакцию 5марта 2019 года
Сергей Михайлович Фурманов, канд. техн. наук, доц., Белорусско-Российский университет. Дмитрий Николаевич Юманов, аспирант, Белорусско-Российский университет. Иван Николаевич Смоляр, студент, Белорусско-Российский университет. Ирина Дмитриевна Камчицкая, канд. техн. наук, доц., Белорусско-Российский университет.
Sergei Mikhailovich Furmanov, PhD (Engineering), Associate Prof., Belarusian-Russian University. Dmitry Nikolayevich Yumanov, PhD student, Belarusian-Russian University. Ivan Nikolayevich Smolar, student, Belarusian-Russian University.
Irina Dmitriyevna Kamchitskaya, PhD (Engineering), Associate Prof., Belarusian-Russian University.
