Системы для управления процесс ами дуговой сварки с обеспечением инвариантности свойств соединений к неконтролируемы м возмущ е ни ям

На правах рукописи

Сас Анатолий Васильевич

СИСТЕМЫ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ процессАМИ дуговой сварки с обеспечением инвариантности СВОЙСТВ СОЕДИНЕНИЙ к НЕКОНТРОЛИРУЕМЫМ возмущениЯМ

Специальность 05.11.16 – Информационно-измерительные и управляющие

системы (в машиностроении)

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Новочеркасск – 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО “Южно-Российский государственный технический

университет (Новочеркасский политехнический институт)”

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Чернов Александр Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шилин Александр Николаевич

доктор технических наук, профессор

Сысоев Юрий Семенович

доктор технических наук, профессор

Дюргеров Никита Георгиевич

Ведущее предприятие ГОУ ВПО “РГТУ” (г. Рязань)

Защита состоится 12 декабря 2008 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.05 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400131, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, ауд.209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан “______”__________________2008 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Авдеюк О.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Развитие промышленного производства сопровождается значительным изменением экологической обстановки. Существенный вклад в ухудшение экологии внесли техногенные катастрофы. Потери от аварий на атомных электростанциях и химических заводах, как, например, на Чернобыльской АЭС или на химкомбинате г. Бхопал (Индия) сопоставимы с последствиями войн.

В современных условиях отказаться от достижений научно-технического прогресса и прекратить развитие атомной энергетики, химических и других опасных производств не представляется возможным. Поэтому вопросам повышения надежности изделий атомного энергетического, химического и других отраслей машиностроения необходимо уделять самое серьезное внимание.

Одним из основных технологических процессов во многих отраслях промышленности: энергетическом и транспортном машиностроении, трубном производстве и других, является сварка. И надежность изделий во многом зависит от того, насколько качественно выполнено сварное соединение. Однако значительная часть дефектов изделий закладывается именно сварочным производством. Так, при изготовлении оборудования атомных станций эта доля достигает 80%, а при производстве газовых и нефтяных магистралей на долю сварочных дефектов приходится от 30% до 70%.

Одним из основных путей повышения надежности и качества сварных соединений является использование информационно-измерительных и управляющих систем на всех этапах производства ответственных металлоконструкций. Однако проведенные исследования показали, что до трети систем управления в дуговой сварке оказались неэффективными. Процессы дуговой сварки, как объекты управления совокупностью свойств сварных соединений, не рассматривались. Несмотря на принимаемые при контроле и аттестации меры, уровень возмущений, вносимый в процесс его элементами, и, в первую очередь, сварщиками-операторами, остается значительным.

Задача одновременного управления многими показателями в случае высокого уровня неконтролируемых возмущений существенно усложняется. В таких условиях для повышения надежности и качества сварки необходимо как снижать уровень возмущений за счет компенсации нестабильностей элементов технологического процесса, так и управлять всей совокупностью показателей качества соединения.

Таким образом, для повышения качества сварочного производства ответственных металлоконструкций актуальным является решение задач разработки методов управления совокупностью свойств сварных соединений в условиях изменяющегося уровня неконтролируемых возмущений, методов идентификации качества протекания процессов и компонентов квалификации операторов, а также технических средств и систем реализующих эти методы.

Работа выполнялась в рамках госбюджетной фундаментальной научно-исследовательской работы №1.3.99.Ф “Разработка теории и методов повышения технологической прочности, качества и надежности оборудования на основе создания математических методов расчета и моделирования, новых технологий и материалов”, а также в соответствии с научным направлением ЮРГТУ (НПИ) “Теория и принципы построения информационно-измерительных систем управления”, утвержденных на период 1995-2000 гг. решением Ученого совета университета от 25.01.95. Отдельные этапы работ выполнялись по хоздоговорам на проведение научно-исследовательских (опытно-конструкторских) работ: “Разработка промышленного образца модернизированного тиристорного регулятора с блоком АСУ ТП для сварки нержавеющих труб на станах аргонодуговой сварки (АДС) с автоматическим управлением параметрами режима” 1978 г. Московский трубный завод (МТЗ); “Разработка системы управления качеством сварки труб на станах АДС” 1983 г. МТЗ; “Разработка системы управления процессом наплавки рабочего слоя прокатных валков с регламентированным распределением свойств” 1991 г. Мариупольский металлургический институт (ММИ); “Разработка специализированного сварочного оборудования на базе цифровых промышленных сетей” 2004 г. ИПС РАДИС; “Автоматизированная система аттестации оператора-сварщика РДС” 2003 г. ОАО “ЭМК-Атоммаш”.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является развитие методов теории и практики создания информационно-измерительных и инвариантных управляющих систем для процессов дуговой сварки, обеспечивающих повышение качества и надежности сварных соединений ответственных металлоконструкций в условиях реального производства. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

- анализ процессов дуговой сварки как объектов управления;

- разработка способа адаптации к действию неконтролируемых возмущений;

- исследование динамических характеристик элементов процесса;

- разработка формализованного метода анализа дуговой сварки как объекта управления совокупностью свойств соединения;

- исследование идентификационных характеристик дуговой сварки и разработка метода идентификации качества протекания процесса;

- разработка, на основе исследования информационного пространства технологического процесса, метода синтеза структуры измерительных каналов инвариантной системы управления;

- расширение области саморегулирования процесса сварки короткой дугой плавящимся электродом;

- разработка идентификационной модели взаимодействия оператора-сварщика с процессом и способа аттестации компонентов квалификации оператора;

- разработка систем управления совокупностью свойств соединения при дуговой сварке и технических средств аттестации элементов процесса и компонентов квалификации операторов – сварщиков.

Методы исследований. В диссертационной работе использовались методы математической статистики, теории идентификации, планирования эксперимента; дисперсионный и регрессионный анализ; методы математической физики, линейной алгебры, моделирования процессов; частотные методы теории автоматического регулирования, теории оптимальных стохастических систем; спектральный анализ и другие современные методы.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации обеспечивается: - сопоставлением результатов, полученных по разработанных автором математическим моделям с результатами экспериментальных исследований (их рассогласование не превышает 10%); - использованием при экспериментальных исследованиях только поверенной аппаратуры; - корректным применением методов математической статистики, теории вероятности и других используемых научных методов; - соответствием основных допущений, принятых при аналитических исследованиях, моделировании и оценке достоверности результатов, физике рассматриваемых явлений; - использованием современных программных комплексов (Matlab 6.0 и др.); - справками о внедрении разработанных технических устройств и систем управления процессами дуговой сварки и наплавки.

Научную новизну представляют:

1. Метод анализа дуговой сварки отличающийся тем, что технологический процесс впервые рассмотрен как объект управления совокупностью свойств сварного соединения, что позволяет повысить надежность и качество сварочного производства ответственных металлоконструкций.

2. Доказанная возможность построения инвариантной системы управления свойствами соединений для процессов дуговой сварки;

3. Впервые предложенный метод адаптации процесса дуговой сварки к действию неконтролируемых возмущений отличающийся оценкой их уровня по разности между измеренной в визируемой точке очага плавления и идентифицированной по модели температурами, что позволяет обеспечить инвариантность свойств сварных соединений к технологическим возмущениям.

4. Метод расширения области естественного саморегулирования процесса сварки с периодическими короткими замыканиями отличающийся тем, что естественные флуктуации напряжения дуги используются для организации слежения за изменяющимся средним значением напряжения, что позволяет расширить технологические возможности управляемого сварочного оборудования и обеспечить надежность и качество сварки пространственных металлоконструкций.

5. Математическая модель дуговой сварки с периодическими короткими замыканиями отличающаяся тем, что впервые процесс сварки описан Марковской моделью непрерывного времени, что позволяет использовать его идентификационные характеристики для создания информационно-измерительных систем аттестации однотипных элементов сварочного контура.

6. Впервые созданная модель взаимодействия оператора с процессом дуговой сварки отличающаяся включенным в модель программным моторным выходом, что позволяет использовать его идентификационные характеристики для создания информационно-измерительных систем аттестации компонентов квалификации оператора.

Научная значимость. Диссертация решает важную научную проблему повышения надежности функционирования ответственных металлоконструкций в атомной энергетике, химических производствах и других областях народного хозяйства. Она вносит вклад в теорию разработки информационно-измерительных и инвариантных управляющих систем процессами дуговой сварки, обеспечивая повышение качества сварных соединений. Впервые предложенный формализованный метод анализа дуговой сварки как объекта управления совокупностью свойств соединений, метод адаптации дуговой сварки к действию неконтролируемых возмущений и метод расширения области естественного саморегулирования процесса сварки с периодическими короткими замыканиями позволяют решить проблему повышения надежности и качества, а также являются общими для достаточно широкого класса технологических процессов.

Практическая значимость работы. Основными итогами диссертационного исследования являются:

- предложенная и апробированная методика проектирования систем управления комплексом свойств сварного соединения;

- разработанная и апробированная методика идентификации уровня неконтролируемых возмущений при дуговой сварке;

- полученные передаточные функции дуги и гидродинамических процессов в сварочной ванне, позволяющие учитывать динамические явления приэлектродных областей и динамику изменения длины дуги при анализе устойчивости сварочного контура и формировании управляющих воздействий

- предложенный и подтвердивший эффективность и универсальность блочно-модульный принципе компоновки специализированных сварочных установок с цифровыми системами управления;

- разработанной и апробированной методике идентификации качества дуговой сварки с плавящимся электродом и методике аттестации составляющих сварку элементов на основе ее представления Марковским случайным процессом непрерывного времени;

- разработанной и апробированной методике идентификации характеристик моторного выхода операторов дуговой сварки.

На защиту выносятся следующие основные положения работы:

1. Формализованный метод анализа процессов дуговой сварки как объектов управления комплексом свойств сварного соединения, позволяющий повысить надежность и качество сварочного производства ответственных металлоконструкций.

2. Способ адаптации процессов дуговой сварки к действию неконтролируемых возмущений, позволяющий по “фиктивному” показателю качества – температуре формировать управляющее воздействие, обеспечивающее инвариантность свойств к действию возмущений.

3. Метод синтеза структуры каналов измерительной информации, позволяющий обеспечить инвариантность свойств соединений к неконтролируемым возмущениям по разности между измеренным и идентифицированным значением системного параметра.

4. Метод расширения области естественного саморегулирования процесса сварки с периодическими короткими замыканиями с использованием естественных флуктуаций напряжения дуги для слежения за его средним значением, позволяющий расширить технологические возможности управляемого сварочного оборудования и обеспечить надежность и качество сварки пространственных металлоконструкций.

5. Описание дуговой сварки с периодическими короткими замыканиями математической моделью Марковского процесса непрерывного времени, позволяющее использовать его идентификационные характеристики при разработке информационно-измерительных систем аттестации однотипных элементов сварочного контура.

6. Модель взаимодействия оператора с процессом дуговой сварки, позволяющая использовать идентификационные характеристики программного моторного выхода при разработке информационно-измерительных систем аттестации компонентов квалификации оператора.

7. Результаты моделирования сварочного контура “источник питания – электрод – дуга – сварочная ванна”, позволяющие учитывать динамические явления приэлектродных областей и динамику изменения длины дуги при анализе устойчивости сварочного контура и формировании управляющих воздействий.

Реализация результатов работы. Теоретические, методические и аппаратные разработки нашли практическое применение на ряде предприятий энергетического, транспортного машиностроения, трубного производства, черной металлургии и других отраслей, изготавливающие ответственные металлоконструкции: ОАО “Атоммаш”, ОАО “Уралмаш”, ОАО “Филит” (МТЗ), ООО “ССМ-Тяжмаш” и других, а также в учебном процессе на кафедре “Информационные и управляющие системы” ЮРГТУ (Волгодонский институт).

В процессе создания информационно-измерительных систем аттестации элементов сварочных процессов и компонентов квалификации операторов дуговой сварки, семейства программно-адаптированных распределенных систем сварки пространственных конструкций, автоматизированных и с идентификатором в цепи обратной связи систем управления комплексом свойств сварных соединений был решен ряд схемотехнических и программных задач связанных с особенностями сварочного производства. Предложены новые технические решения, которые могут быть использованы в других отраслях в условиях высокого уровня электромагнитных помех.

Апробация работы. Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на международных, республиканских, региональных и отраслевых научно-технических конференциях и семинарах, в том числе на: Всесоюзной научно-технической конференции “Современные методы управления электросварочным оборудованием”, Ленинград, 1981; Всесоюзной конференции “Повышение эффективности и использование вычислительной техники в сварке”, Липецк, 1982; конференции “Повышение качества и эффективности сварочного производства”, Московский дом научно-технической пропаганды им. Дзержинского, Москва, 1980; конференции “Эффективность автоматизации процессов сварки”, Московский областной дом научно-технической пропаганды, Люберцы, 1981; общемосковском семинаре "Проблемы инженерной психологии", Москва, 1989; научном семинаре кафедры сварки, Московский автомобилестроительный институт, Москва, 1989; научном семинаре кафедры нефтегазового и химического аппаратостроения РГУ им. И.М. Губкина, Москва, 1990, 1993; Московском семинаре сварщиков при МГТУ им. И.М. Баумана, 1979, 1989; объединенном семинаре "Автоматика, источники питания и нагрева неразрушающий контроль" и "Технологические процессы, материалы, и оборудование для сварки сталей”, ИЭС им. Е.О. Патона, Киев, 1991; международной конференции "Современные проблемы и достижения в области сварки, родственных технологий и оборудования", Санкт-Петербург, 1995; II-ом международном конгрессе "Защита", Москва, 1995; международных научно-технических конференциях "XI Бенардосовские чтения" и "XII Бенардосовские чтения", Иваново, 2003, 2005; отраслевого совещания ОАО "Газпром" "Состояние и основные направления развития неразрушающего контроля сварных соединений объектов транспорта газа", Невинномысск, 2005.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 45 работ, из них 1 монография, 29 научных статей (14 по перечню ВАК), 4 доклада на научных конференциях, 11 авторских свидетельств.

Структура и объем работы. Диссертация, состоящая из введения, 5 глав, заключения и приложений, изложена на 308 страницах и иллюстрирована 89 рисунками и 15 таблицами. Список литературы состоит из 276 наименований. Приложение (справки и другие материалы) содержит 17 страниц.

Личный вклад автора в работах, выполненных в соавторстве: В работах [3,5,6,11,12,14,27,30] обосновал структуру систем управления процессами при управлении свойствами соединений, обоснована необходимость управления по схеме с идентификатором в цепи обратной связи, предложил способ адаптации процессов к неконтролируемым возмущениям. В работе [4] построил области состояния процесса. В работе [7] аналитически получил передаточную функцию гидродинамики сварочной ванны. В работе [8] определил, что инерционность сварочной дуги определяется приэлектродными областями. В работах [9,41] предложил представить дуговую сварку Марковским случайным процессом. В работе [13] определил взаимосвязь спектра сигнала со свойствами соединения. В работах [15,16,19,21,23-25] сформулировал предмет изобретений. В работах [17,18,20,22] разрабатывал схемы управления устройствами. В работе [26] по результатам эксперимента определил передаточную функцию. В работах [31-33,44] составил математические модели, провел моделирование. В работе [34] обосновал необходимость пирометрического обеспечения управления качеством. В работах [38,43] обосновал принципы управления сваркой с короткими замыканиями и принципы построения специализированных систем управления. В работах [39,40,42] формулировал цели, задачи и разрабатывал структуру систем управления.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность, сформулирована цель диссертационной работы, приведены формулировки основных положений, выносимых на защиту.

Первая глава “Современное состояние и проблемы идентификации и управления процессами дуговой сварки” посвящена рассмотрению вопросов совершенствования сварочного производства при изготовлении ответственных металлоконструкций. Сварка является одним из основных технологических процессов изготовления ответственных, в том числе пространственных конструкций, в энергетическом, химическом и транспортном машиностроении, трубном производстве. И надежность изделий во многом зависит от того, на сколько качественно выполнена сварка. Однако значительная часть дефектов изделий закладывается именно сварочным производством.

Использование информационно-измерительных и управляющих систем является одним из основных путей повышения эффективности технологических процессов и качества выпускаемой продукции. Автоматическое управление дуговой сварки началась одновременно с появлением самой сварки, с механического регулятора длины дуги Н.Н. Бенардоса. Большой вклад в развитие систем управления процессами сварки внесли В.П. Никитин, Д.А. Дульчевский, В.И. Дятлов, Б.Е. Патон, Л.Е. Алекин, А.И. Акулов, Э.А. Гладков, А.В. Чернов, В.В. Кривин, W. Lucas, G. Salter, V. Malin и другие ученые. Были разработаны различные технические средства, разнообразные датчики, исполнительные механизмы, системы управления отдельными параметрами режима сварки и глубиной проплавления. Однако до трети автоматических и автоматизированных систем в сварке оказались неэффективными. В работе был проведен анализ причин сложившегося положения

К качеству сварных соединений предъявляют многочисленные требования: по геометрии соединения, прочности, стойкости против коррозии, знакопеременных нагрузок, отсутствию таких дефектов как горячие и холодные трещины и другие. Конкретная совокупность требований определяется ответственностью свариваемой конструкции и условиями ее эксплуатации. Однако процессы дуговой сварки как многомерные объекты управления совокупностью показателей качества соединения не рассматривались.

Большинство показателей качества соединения в ходе процесса измерить невозможно и дуговая сварка является объектом с практически не наблюдаемым выходом. В такой ситуации управлять ненаблюдаемыми показателями возможно только по идентифицируемым моделям их зависимости от наблюдаемых входных переменных (параметров режима). Подобная система была разработана для управления прочностью соединения по идентифицируемой модели при сварке особо ответственных обечаек. Но экономически система оказалась неэффективной, так как требовала больших затрат на этапе подготовки производства. В реальных же условиях сварки из-за действия различных неконтролируемых возмущений, вносимых в процесс нестабильностью составляющих его элементов: материалов, оборудования, операторов, ошибка определения по модели значения показателя качества может стать недопустимой. Поэтому в ходе процесса его необходимо адаптировать к изменяющемуся уровню неконтролируемых возмущений, а значит необходимо оценивать их текущий уровень.

Несмотря на огромное количество работ отечественных и зарубежных ученых, посвященных исследованию различных протекающих при сварке явлений, полной математической модели процесса дуговой сварки, вследствие чрезвычайной сложности его формального описания, не создано. Значение каждого из показателей качества соединения зависит от взаимодействия целого ряда одновременно протекающих нелинейных процессов различной инерционности: тепловых, электромагнитных, металлургических, гидродинамических, структурно-фазовых, деформационных и других. Поэтому необходимо управлять сразу всей совокупностью показателей.

Проведенный анализ истории развития, современного состояния автоматизации сварки и особенностей процесса дуговой сварки как объекта управления показал, что для повышения качества сварных соединений необходимо снижать уровень возмущений вносимых в процесс его элементами, в том числе за счет совершенствования и автоматизации аттестации на этапе подготовки производства. А в ходе технологического процесса необходимо управлять всей совокупностью свойств соединения с адаптацией к действию неконтролируемых возмущений.

Для достижения цели, поставленной в диссертационной работе, был сформулирован и решен, применительно к технологии сварочного производства ответственных металлоконструкций, ряд задач.

Вторая глава “Моделирование процессов в сварочном контуре: ”Исполнительные механизмы – дуга – сварочная ванна - шов” посвящена теоретическим основам идентификации состояния процесса дуговой сварки и управления совокупностью свойств сварного соединения.

Во время сварки значение вектора выходных ненаблюдаемых показателей качества Y можно идентифицировать только по уравнениям его связи с вектором входных переменных X (включающим вектор управлений и вектор возмущений) и вектором переменных состояния Z, то есть Y = CZ + DX, где = AZ + BX; A – матрица состояния, B – матрица управления; C и D - матрицы коэффициентов влияния переменных состояния и входных переменных на значение показателей качества сварного соединения.

Как доказано В.В. Кривиным, изменение мгновенных значений основных переменных вектора входа X для процессов сварки с плавящимся электродом - тока сварки и напряжения на дуге носит хаотический характер. Поэтому для их описания можно использовать только статистические методы. Однако, применительно к дуговой сварке плавящимся электродом статистическое описание производится по всему массиву мгновенных значений и не учитывает, что процесс может находиться в трех различных состояниях: 1 – холостого хода, 2 - горения дуги и 3 – короткого состояния. Причем иногда из состояния короткого состояния процесс переходит в состояние холостого хода, а только затем в состояние горения дуги.

При обработке осциллограмм мгновенных значений тока и напряжения было установлено, что дуговая сварка с плавящимся электродом может быть представлена как Марковский случайный процесс непрерывного времени с управляющим Пуассоновским потоком. Остаточное время Q пребывания процесса в каждом из трех j состояний подчиняется экспоненциальному закону с соответствующим показателем j интенсивности выхода из этого состояния gj(Q) = je –j.

Предельные вероятности нахождения процесса в конкретном состоянии в произвольный будущий момент времени находили на основе решения дифференциального уравнения Колмогорова, которое для стационарного режима представляет систему линейных уравнений jkpj = 0, где j, k – состояния процесса, pj – предельная вероятность нахождения процесса в j –том состоянии, jk – интенсивность перехода из состояния j в состояние k. Причем jk = jqjk, где – qjk - вероятность перехода из j в k (переходная вероятность).

Для расчета основных характеристик процесса был разработан специальный алгоритм, по которому обрабатывались экспериментальные данные. При обработке результатов эксперимента с использованием источников ВДУ-1201, один из которых сварщики оценивали как “хороший”, а другой как “плохой”, было установлено, что интенсивность 1 у нормально протекающего процесса была в три раза выше, чем у процесса с отклонениями, а интенсивность 2 была в два раза меньше: то есть стабильный процесс с “хорошим” источником стремился быстрее выйти из состояния холостого хода и дольше оставаться в состоянии горения дуги, чем нестабильный процесс с “плохим” источником. Для стабильного процесса переходные вероятности qк.з.гор.=0,969, qк.з.х.х=0,031, а для нестабильного, соответственно, qк.з.гор=0,915, qк.з.х.х=0,055. Аналогичные результаты были получены при обработке экспериментальных данных при сварке на одном источнике ВДУ-516 сварщиками разной квалификации.

Таким образом, установлено, что характеристики процесса сварки с плавящимся электродом как Марковского случайного процесса, позволяют идентифицировать уровень стабильности процесса. Этот уровень зависит от нестабильности характеристик элементов а также от динамики взаимодействия источника питания с дугой, дуги с плавящимся электродом и сварочной ванной. Процесс плавления и переноса электродного металла и силовое взаимодействие дуги с жидким металлом приводят к изменению состояния дугового промежутка, что, в свою очередь, приводит к изменению нагрузки источника питания. Причем изменение характера нагрузки является нелинейным и может быть смоделирован только системой с переменной структурой. На рисунке 1 представлена упрощенная электротехническая модель процесса сварки с плавящимся электродом.

Рисунок 1 - Электротехническая модель

сварки с плавящимся электродом.

Когда разомкнуты ключи К1 и К2, процесс находится в состоянии холостого хода. Когда замкнут ключ К1, а ключ К2 разомкнут – в состоянии горения дуги, а когда замкнут ключ К2, а ключ К1 разомкнут – в состоянии короткого замыкания. Закон управления ключами К1 и К2 при моделировании определялся параметрами Марковского случайного процесса.

Учитывая постоянные переходы из состояния в состояние, равенство скоростей подачи и плавления электрода соблюдается только в среднем. Мгновенная скорость плавления электрода в момент времени подчиняется экспоненциальному закону. При динамических переходах из состояния в состояние происходит резкое изменение сварочного тока и силы давления дуги, что существенно влияет на гидродинамику сварочной ванны. Таким образом, гидродинамические процессы в сварочной ванне, их стабильность, существенным образом зависят от характеристик процесса переноса электродного металла, а значит от тепловых процессов в сварочном контуре.

Большинство недопустимых дефектов сварных соединений зарождается в сварочной ванне. Поэтому управлять свойствами сварных соединений можно лишь добившись стабильности процессов плавления и переноса электродного металла, стабильности гидродинамических процессов в сварочной ванне.

Тепловая энергия дуги преобразуется из электрической энергии источника питания при его взаимодействии со сварочной дугой. С целью определения полной передаточной функции дуги нами было проведено исследование ее частотных характеристик в диапазоне частот 1 Гц – 160кГц. В результате обработки и анализа экспериментальных данных, была получена следующая передаточная функция : , где К – динамическое сопротивление дуги, Iс, Ud – соответственно ток сварки и напряжение на дуге, Тс и Тс' – постоянные времени столба дуги, Т1 и Т2 - постоянные времени приэлектродной области. Значения Т1, Т2 и Тс (Тс') отличаются более чем на порядок. Таким образом, было установлено, что динамические явления в столбе дуги и приэлектродных областях можно рассматривать независимо, и что динамика взаимодействия источника питания с дугой определяется в первую очередь инерционностью приэлектродных областей.

Характеристики взаимодействия источника питания с дугой зависят также от изменения длины дуги. Причем, при действии возмущений переход в новое состояние зависит как от тепловых, так и от гидродинамических свойств сварочной ванны. Для оценки влияния на скрытую составляющую длины дуги гидродинамики сварочной ванны было составлено, решено и проанализировано уравнение перемещения центра тяжести сварочной ванны при вариации действующих сил

, где mПР – приведенная масса жидкой ванны; PД – сила давления дуги; G – вес жидкой ванны; РП.Н. – суммарная сила поверхностного натяжения; РВ.Т. – сила внутреннего трения.

В результате была получена передаточная функция гидродинамических процессов в сварочной ванне: ,

где ; ; . Расчет колебательного переходного процесса проводили при постоянной массе сварочной ванны. С ростом объема сварочной ванны инерционность звена (Т) увеличивалась. Увеличение коэффициента поверхностного натяжения приводило к снижению инерционности ванны, а изменение коэффициента внутреннего трения изменяло демпфирующие свойства звена. Большей величине тока сварки Iс соответствовал больший коэффициент передачи k1.

Результаты аналитического решения дифференциального уравнения движения центра масс сварочной ванны были экспериментально подтверждены при записи сигнала изменения температуры визируемой точки поверхности сварочной ванны (рисунок 2). Расшифровка переходной функции позволила описать передаточную функцию двумя параллельно соединенными звеньями: апериодическим звеном с постоянной времени проплавления и колебательным звеном с параметрами, соответствующими гидродинамическим процессам.

Рисунок 2 - Переходной процесс по темпе-

ратуре при скачке по току сварки

Если при автоматической сварке с неплавящимся электродом изменение длины дуги происходит только вследствие изменения ее скрытой составляющей, то при сварке с оператором в контуре управления изменение длины происходит и вследствие изменения ее внешней составляющей. Поэтому возмущения по внешней составляющей длины дуги, приводящие к потере устойчивости дуги и появлению дефектов соединения, являются следствием ошибок оператора. Задача снижения уровня возмущений и повышения качества соединения в этом случае должна решаться за счет совершенствования системы аттестации и подготовки операторов.

При сварке с плавящимся электродом, особенно при сварке с коротким замыканием, происходят постоянные колебания как внешней, так и внутренней составляющей длины дуги. Переменная скорость плавления и перенос капель электродного металла в сварочную ванну, являются причиной изменения внешней составляющей длины дуги, постоянного нарушения равновесия действующих на сварочную ванну сил, и, как следствие, изменение скрытой составляющей длины дуги. Характер взаимодействия этих двух процессов, особенно при случайных возмущениях различной физической природы, носит хаотический характер.

Большинство недопустимых дефектов сварных соединений зарождаются в сварочной ванне при нарушении устойчивости процесса горения дуги. Только обеспечив устойчивость процесса, можно управлять качеством соединения.

Анализ инерционности различных, составляющих дуговую сварку процессов и элементов сварочного контура показал, что инерционность кристаллизации металла сварочной ванны (формирования свойств соединения) существенно больше инерционности всех остальных процессов и элементов. Это позволило решать задачу управления выходными переменными yi технологического процесса в статическом варианте по уравнениям их зависимости от входных переменных процесса xj. Требованиями ГОСТа, ТУ на возможные значения показателей качества ограничены. Решение системы критериальных неравенств показателей качества выделяет в пространстве наблюдаемых входных переменных (рисунок 3) некоторую область – область качественного состояния технологического процесса . При построении к учитывали также ограничения на значения входных переменных, в том числе на ресурс управления.

Рисунок 3 - Представление технологичес-

кого процесса в пространстве

входных переменных

При отсутствии качественной области необходимо задать более мягкие ограничения на показатели качества, если это не приведет к несоответствию качества соединения техническим требованиям, или перейти на другой технологический процесс или способ сварки.

В производственных условиях отображающая состояние процесса точка перемещается в пространстве. Из области качественного состояния мы выделили рабочую область p, такую, что при выборе рабочей точки внутри ее, точка, отображающая текущее состояние процесса, не выйдет за пределы k. С ростом уровня возмущений размеры p уменьшаются, так как от границ k необходимо отступать на больший интервал. При наличии статистических данных величина отступа рассчитывается по дисперсии показателей и тогда

, а , где k – коэффициент. Когда статистические данные отсутствуют, величину отступа можно задать функцией принадлежности нечеткого множества границы к k. В этом случае к p относятся все точки пространства, где (k)=1. Размеры р в значительной степени определяются квалификацией оператора, уровнем и составом вносимых им возмущений. Для количественной оценки влияния компонентов квалификации на этот уровень необходима математическая модель взаимодействия оператора с процессом.

Значения показателей качества, вычисленные по контролируемым входам, отличаются от реальных, которые зависят также и от неконтролируемых возмущений xнк. Чтобы учесть влияние неконтролируемых возмущений на показатели качества, необходим параметр (фиктивный показатель качества), который зависит от тех же переменных, что и остальные показатели качества, но может быть измерен в ходе процесса. Таким фиктивным показателем для дуговых процессов сварки в работе была выбрана температура точки поверхности очага плавления. Разность между измеренной Ти и идентифицированной Тр температурами служит мерой влияния на процесс неконтролируемых возмущений: , где - коэффициент влияния xнк на температуру. Оценка уровня xнк использовалась для адаптации моделей показателей качества.

При подстройке свободных членов уравнений связи показателей качества с параметрами режима , где yiM – значение показателя, рассчитанное по контролируемым входам. Отношение коэффициентов aiнк/aTнк,, где аiнк – влияние xнк на yi определялось в режиме обучения, исходя из условия минимума функционала Ј = , где и - соответственно предсказываемое и действительное значение показателя yi для условий l-го эксперимента.

Более точная адаптация коэффициентов уравнения связи температуры с входными переменными проводилась по алгоритму одношаговой адаптивной идентификации , где N – текущий шаг по времени, - соответственно векторы и транспонированные векторы входных переменных и оценок коэффициентов “фиктивного” показателя качества (температуры).

Исследование этапов анализа технологических процессов дуговой сварки как многокритериальных объектов в пространстве наблюдаемых параметров режима легло в основу формализованного, алгоритм которого представлен на рисунке 4, метода анализа систем управления совокупностью свойств сварного соединения. После ввода исходных данных по составу показателей качества, ограничений на показатели качества yi+ и yi- и входные переменные xi+ и xi- рассчитывается качественная область к. При отсутствии к рассматриваются варианты изменения ограничений yi+и yi- или перехода к другому технологическому процессу. При существовании к вводятся исходные данные по дисперсии возмущений по информационным входам, дисперсии воспроизводимости и адекватности моделей, и рассчитывается рабочая область р. При отсутствии р ввод новых информационных входов в соответствии с их рангом iн продолжается до тех пор, пока какая-либо из проекции возможной рабочей области на показатели качества yi= остается отрицательной. Ранг информационного входа определяется средневзвешенным вкладом его дисперсии в дисперсию показателей качества и стоимостью соответствующего датчика , где - вклад дисперсии j-го входа в i-тый показатель, - коэффициент влияния j-го входа на i-тый показатель, сj- стоимость датчика j-го входа, j- вес i-го показателя. Оптимальную рабочую точку внутри р находили по различным критериям оптимизации. Затем определи необходимость включения в состав системы управления контура компенсации неконтролируемых возмущений на основании выполнения условия , где и - соответственно реальный и допустимый уровень неконтролируемых возмущений. , где - уровень неконтролируемых возмущений по i-му показателю, - дисперсия адекватности модели i-го показателя. Число управляющих воздействий определяли по коэффициенту компенсации возмущений kjгр, значение которого должно быть > 1.

Разработанный формализованный метод анализа процессов дуговой сварки и синтеза систем управления совокупностью свойств сварного соединения явился методологической основой исследования технологических процессов дуговой сварки и разработки систем управления ими.

Третья глава “Идентификация совокупности свойств соединения дуговой сварки как объекта управления ” посвящена рассмотрению вопросов формирования совокупности показателей качества сварных соединений, построения математических моделей зависимости показателей качества от параметров режима, построения областей состояния процессов дуговой сварки, определения базового рабочего режима и спектральных диапазонов измерения температуры.

На первом этапе синтеза системы управления качеством соединения формируется набор показателей, обеспечивающий требуемую достоверность оценки качества. Рассмотрена процедура формирования набора, по которой сформированы наборы для процессов дуговой сварки: стационарных процессов аргонодуговой и микроплазменной сварки тонколистовых сильфонов, аргонодуговой сварки прямошовных труб из стали 12Х18Н10Т, нестационарного процесса наплавки рабочего слоя прокатных валков с регламентированным распределением свойств и других процессов.

После формирования набора показателей по уравнениям их зависимости от параметров режима строится область качественного состояния процесса. В работе рассмотрены вопросы построения и использования теоретических, экс-периментально-теоретических и полученных путем обработки экспериментальных данных, моделей зависимости показателей качества соединения от входных параметров режима.

Рисунок 4 - Алгоритм формализованного метода анализа систем управления

совокупностью свойств соединения

Экспериментально-теоретическая модель стойкости труб из стали 12Х18Н10Т против межкристаллитной коррозии (МКК) по степени стабилизации металла шва титаном (Ti) была получена путем решения системы двух дифференциальных уравнений: уравнения поглощения азота жидким металлом сварочной ванны , где – объем жидкого металла, СN- текущая концентрация азота, ’ и ’’ – коэффициенты массопереноса азота соответственно при абсорбции и десорбции, F и F’ – соответственно площадь абсорбции и площадь десорбции, S1 и S2 –соответственно концентрация азота на поверхности жидкого металла и концентрация насыщения; и уравнения образования нитридов титана , где kTiN- константа скорости реакции образования нитридов титана (TiN), С0N, С0Ti и С0TiN- соответственно общая, концентрации азота и титана и текущая концентрация TiN. Отклонение экспериментальных точек по концентрации нитридов титана в шве от расчетных зависимостей (рисунок 5) составило не более 10%, что свидетельствует о применимости предложенной модели для определения стойкости соединений против МКК.

Математические модели остальных, используемых в работе показателей качества, были построены путем обработки экспериментальных данных, полученных при исследовании технологических процессов сварки тонколистовых сильфонов, труб из стали 12Х18Н10Т, наплавки рабочего слоя прокатных валков и других процессов. Некоторые математические модели заимствованы из литературных источников.

Уравнения показателей качества использовались при построении .Так, например, были установлены допустимые диапазоны изменения сварочного тока для аргонодуговой и микроплазменной сварки торцевых соединений сильфонов (рисунок 6) и показана невозможность сварки свободной дугой металла толщиной менее 0,07 мм. Для автоматизации расчета вне зависимости от количества показателей качества и параметров режима была разработана формализованная процедура и реализующая процедуру программа ANALWP, имеющая модульную структуру и состоящая из ряда подпрограмм. Преимущество предложенного метода расчета – его не итерационный характер. Метод применим к мультипликативным моделям после их логарифмирования. Так, по мультипликативным моделям и данным Кривошеи В.Е. была построена область для процесса автоматической сварки под флюсом стыковых соединений без скоса кромок стальных (Ст3) пластин. Пример построения по нелинейной модели был выполнен для электронно-лучевой сварки и данным Рыкалина Н.Н. и Зуева И.В.

В работе проведено исследование влияния возмущений на характеристики рабочей области р и выбор рабочей точки и показано, что влияние возмущений на параметры р может быть весьма существенным. Так например, при уровне возмущений по напряжению на дуге в 2В площадь р процесса сварки погруженной дугой меньше площади в 2,5 раза, а при уровне возмущений в 7В – соответственно в 8-мь раз (рисунок 7).

Основная трудность при определении оптимальной рабочей точки заключается в выборе функционала оптимизации. Формирование функционала зависит от требований к конкретному сварному соединению и особенностей конкретного технологического процесса. В работе рассмотрено четыре варианта формирования функционала. Для ответственных изделий, когда множество р пустое, целесообразна оптимизация по статистическому критерию – максимизации нахождения точки, отображающей состояние процесса, в . Учитывая, что любая гиперплоскость, проходящая через грань множества в может быть представлена алгебраической суммой гиперплоскостей пересекающихся по этой грани, то для случая, когда ограничения наложены только на два показателя y1 и y2, и, когда, например, дисперсия по одному из показателей меньше, чем дисперсия по другому, но больше последней, умноженной на косинус угла между ними, то соответствующий оптимальной плоскости коэффициент l находится из выражения.

Отметим, что уравнения при других соотношениях дисперсии показателей могут быть приведены относительно l к такому же виду. При введении нормирующих множителей i = yi/D(yi) решение задачи минимума риска несоблюдения технологии сводится к поиску центра “тяжести” многомерной области р. При существовании р (малом уровне возмущений) частным критерием оптимизации может служить любой показатель качества соединения, любой параметр режима или их свертка. В случае, когда число управляющих воздействий меньше числа регулируемых показателей, текущую оптимальную рабочую точку в работе предложено формировать по минимуму взвешенного среднеквадратического отклонения показателей качества Ј=,

где и - соответственно оптимальное текущее и оптимальное исходное значение показателя. Продифференцировав функционал по каждой из управляющих переменных и приравняв производные к нулю, получим систему уравнений, в результате решения которой находим оптимальное текущее значение каждого регулирующего воздействия

Учитывая, что неконтролируемые возмущения могут привести к разрыву производной функционала, рассмотрен вариант с функционалом модульного типа . В этом случае для решения задачи поиска оптимума был использован метод Розенброка (один из методов прямого поиска оптимума) с перестройкой системы координат и введением не связанной никакими ограничениями присоединенной функции J(xk, u), эквивалентной введению в целевой функционал штрафных функций, задающих ограничения. Для реализации метода Розенброка была написана программа ROZEN.

Вычисленная по модели и измеренная в визируемой точке очага плавления температура по впервые предложенному методу используется для адаптации технологических процессов дуговой сварки к действию неконтролируемых возмущений. Поэтому, учитывая, что точное измерение температуры является необходимым условием управления совокупностью свойств сварных соединений, в работе было проведено исследование сопутствующих различным процессам дуговой сварки электромагнитных излучений в инфракрасной области спектра. Исследование характеристик излучений проводилось как в статическом, так и динамическом режимах с учетом состояния поверхности очага плавления и наличия возмущающих, не связанных с температурой излучений.

В результате этих исследований был построен спектрально-энергетический портрет процессов сварки (рисунок 8) и обоснованы спектральные диапазоны измерения температуры с максимальной разрешающей способностью и минимальной погрешностью.

Четвертая глава “Исследование управления свойствами соединения при дуговой сварке” посвящена вопросам расширения области существования нестационарного процесса с периодическими короткими замыканиями и построения математической модели взаимодействия оператора с технологическим процессом.

Нестабильность элементов технологического процесса наиболее существенно сказывается на устойчивости нестационарного процесса сварки с периодическими короткими замыканиями при использовании тиристорных источников питания. Так, например, при отклонении скорости подачи проволоки всего на ± 2% от номинала процесс исчерпывал свои возможности саморегулирования за счет изменения частоты коротких замыканий и терял устойчивость. К потере устойчивости приводило и несогласованное взаимодействие элементов сварочного оборудования при различных стадиях и условиях процесса.

Для исследования проблемы обеспечения устойчивости процесса дуговой сварки с периодическими короткими замыканиями был разработан специальный экспериментальный стенд. За основу распределения информационных функций были взяты технологические функции элементов. Микроконтроллеры элементов обеспечивали поддержание параметров сварки независимо от внешних условий. Для управления стендом была разработана специальная программа, которая позволяла тестировать оборудование, задавать параметры работы всех элементов оборудования и изменять их во время сварки. Регуляторы стенда были реализованы на базе восьмиразрядного микроконтроллера семейства Atmel. Для согласованной работы регуляторов, с учетом специфики сварки с периодическими короткими замыканиями, был разработан специальный протокол обмена данными “ПАРС”.

При разработке стенда также решались задачи снижения уровня возмущений по скорости подачи проволоки и по характеристикам источника питания. Был разработан механизм подачи с цифровой системой управления. Механизм позволил обеспечить стабильность скорости подачи не хуже ± 1% при расстоянии между источником питания и механизмом более 50 метров.

Для управления источником питания ВДУ-506 была разработана цифровая система управления, которая позволила формировать любую статическую вольтамперную характеристику (ВАХ). Регулирование динамических характеристик осуществлялось за счет подстройки скорости отработки ошибки по напряжению на дуге. Оптимальные значения коэффициента усиления Ку ошибки по напряжению (рисунок 9) были определены экспериментально из условия обеспечения максимальной стабильности частоты коротких замыканий при различных диаметрах и скоростях подачи проволоки.

Так как количество коротких замыканий за период управления тиристорным источником питания (0,01с) было переменным (от 0 до 2-х), то от периода к периоду происходило случайное изменение средней за период ошибки по напряжению на дуге. Выделить в этой ошибке долю, появляющуюся из-за действия технологических возмущений, сложно. Однако если отрабатывалась вся ошибка, процесс быстро терял устойчивость. Процесс также терял устойчивость через некоторое, зависящее от инерционности изменения уровня неконтролируемых возмущений, время, в случае, когда ошибка не отрабатывалась совсем. Поэтому было принято решение организовать сканирование относительно средней ошибки по напряжению и отрабатывать в каждом цикле только долю, выявленной в предыдущем цикле, ошибки по напряжению на дуге.

Таким образом, проведенные исследования характеристик нестационарного процесса сварки с плавящимся электродом позволили повысить стабильность сварки с периодическими короткими замыканиями, расширить область его естественного устойчивого саморегулирования и обеспечить возможность управления совокупностью свойств соединения.

Как показал проведенный в работе анализ, нестабильность действий оператора является одним из основных факторов снижения качества сварных соединений. Состояние процесса при дуговой сварке оператор оценивает по получаемой через зрение и слух информации. Анализ результатов анкетного опроса 24-х сварщиков 4-6-го разрядов показал, что число используемых операторами факторов избыточно и колеблется от 5 до 9-ти, их состав даже для высококвалифицированных сварщиков может быть различным. Наиболее значимым фактором в 18-ти случаях была названа длина дуги.

Учитывая, что в конкретный момент времени оператор работает как одноканальный процессор и реагирует только на одну единицу информации, анализ взаимодействия оператора с процессом дуговой сварки был проведен по простейшей модели “зрительный анализатор – моторный выход” (ЗА – МВ) в режиме слежения за длиной дуги. При моделировании контура был использован приближенный метод исследования устойчивости и автоколебаний нелинейных систем. Установлено, что со снижением порога чувствительности зрения возрастают требования к адаптационным свойствам моторного выхода. Поэтому, для оценки максимального временного интервала качественного регулирования оператором дуговой сварки в режиме “зрительный анализатор – моторный выход (ЗА – МВ)” были исследованы характеристики зрения в различных условиях реальной работы. Результаты экспериментов показали, что длительная работоспособность при реальной сварке моделью “ЗА - МВ” объяснена быть не может.

Для проверки предположения о том, что в промежутках времени между моментами получения зрительной информации сварщик ведет управление подобно программному регулятору, и для выяснения связи характеристик программного моторного выхода (ПМВ) с квалификацией была проведена серия экспериментов. Проведенные эксперименты подтвердили, что навыки программных моторных дви-

Рисунок 10 - Модель взаимодействия

оператора с процессом сварки

жений зависят от квалификации. Поэтому численные характеристики ПМВ необходимо использовать при оценке квалификации операторов, а формирование ПМВ должно быть одной из основных задач их подготовки.

Проведенные исследования ПМВ, других свойств оператора, информационных характеристик процесса позволили синтезировать математическую модель взаимодействия оператора с процессом дуговой сварки.

Модель (рисунок 10) взаимодействия оператора с процессом ( ОБ- объект управления) включает моторный выход (МВ), представленный апериодическим звеном с коэффициентом передачи, зависящим от группы работающих мышц и их текущего функционального состояния. существляется через мышечно-суставные анализаторы положения и скорости. Основная обратная связь осуществляется через зрение, канал которого включает зрительный анализатор (ЗА), импульсный элемент (ИЭ) и блок обработки зрительной информации (БОЗИ). В блоке обработки текущая информация сравнивается с эталонной, поступающей из блока памяти (БПЗСЭ). Импульсный элемент характеризует дискретность передачи информации. Передаточные функции зрительного и слухового анализаторов представлены апериодическими звеньями коэффициенты передачи которых зависят от времени работы каналов. При работе в режиме разомкнутого управления уставка на моторный выход поступает из программного блока моторного выхода. При отсутствии программы оператор выполняет поисковые движения, отслеживая только одну единицу информации и оценивая результаты по сходству поступающей информации с эталоном. Время отработки возмущения при этом увеличивается, а точность корректирующих действий снижается.

Возможность роста квалификации характеризуется обучаемостью оператора. Коэффициенты обучаемости, а также такие характеристики как время реакции и зависимость коэффициентов передачи каналов от времени их работы необходимо использовать при разработке систем профессионального отбора. Разработанная модель предназначена для решения различных практических задач. Значения коэффициентов синтезированной модели позволяют производить оценку не только общего уровня, но и компонентов квалификации операторов – характеристик отслеживания различных траекторий стыка в различных условиях как под контролем зрения и слуха, так и без контроля, то есть характеристик ПМВ.

Пятая глава “Разработка информационно-измерительных и управляющих систем комплексом свойств сварных соединений” посвящена реализации основных положений и результатов исследования процессов дуговой сварки как объектов управления качеством сварных соединений.

По результатам исследования информационных характеристик дуговой сварки была разработана информационно-измерительная система оценки состояния процесса. Система включает рабочий стол для сварки образцов во всех пространственных положениях. На столе, который связан соединительными кабелями с компьютерной стойкой, закреплены измерители тока сварки и напряжения на дуге. Измерение, регистрация и сохранение в базе данных мгновенных значений тока и напряжения осуществляется информационно-регистрирующим модулем на базе блока АЦП-ЦАП Е – 330 и стандартного персонального компьютера. Обработка данных производится комплексом, разработанных с использованием программного модуля, системы MATLAB и графического модуля подсистемы SIMULINK, специальных модулей, позволяющих рассчитывать фазовый портрет процесса, разделять его на кластеры и рассчитывать идентификационные характеристики различных состояний процесса.

Опытно-промышленные испытания системы были проведены на ОАО ЭМК “Атоммаш”. Исследовалось влияние различных однотипных элементов технологического процесса (источников питания, операторов) на стабильность характеристик процесса. Проводились сравнительные испытания разных источников одной марки (ВДУ-1201 и ВДУ-504), исследовалась связь квалификации операторов с идентификационными характеристиками процесса.

В результате испытаний было подтверждено, что идентификационные характеристики дуговой сварки с периодическими короткими замыканиями как Марковского случайного процесса непрерывного времени, а именно интенсивности выхода и предельные вероятности нахождения процесса в состоянии холостого хода, горения дуги и короткого замыкания, а также переходные вероятности из состояния короткого замыкания, характеризуют качество протекания процесса.

На основе синтезированной модели взаимодействия оператора с процессом дуговой сварки разработаны информационно-измерительные устройства (рисунок 11) количественной оценки характеристик отслеживания траекторий стыка в различных условиях (разные пространственные положения, разные скорости подачи и перемещения электрода вдоль стыка). Устройства также позволяют производить оценку характеристик отслеживания как под контролем зрения и слуха, так и без зрительной и слуховой информации, то есть в режиме ПМВ. Технические устройства также позволяют производить количественную оценку обучаемости операторов к выполнению компонентов технологических операций. Так, например, в результате экспериментов по формированию ПМВ установлено, что обучаемость программным движениям в лучшем и худшем случаях отличалась в пять раз (рисунок 12). Опытная эксплуатация информационно-измерительных устройств подтвердила возможность и целесообразность их использования при проведении аттестации операторов дуговой сварки.

Информационно-измерительные устройства и базирующийся на синтезированной модели взаимодействия оператора с процессом дуговой сварки, алгоритм поэлементного формирования навыков, были также использованы при обучении нескольких групп новичков (25 человек) профессии электросварщика. В зависимости от индивидуальных характеристик обучаемых, сроки их подготовки до уровня III разряда были значительно сокращены (от 3 до 15 раз) при сокращении затрат электродного и вспомогательного материалов в 2-5 раз.

Разработанные при создании экспериментального стенда модули сварочного оборудования с микропроцессорными системами управления и проведенные на стенде исследования устойчивости процесса дуговой сварки с периодическими короткими замыканиями для различных условий и стадий процесса, позволили перейти к блочно-модульному построению семейства специализированного сварочного оборудования ПАРС (программно-адаптированные распределенные системы), выпуск которого доведен до промышленного применения.

Полуавтомат модели ПАРС Н-511 на основе широко распространенного тиристорного источника ВДУ-516 предназначен для сварки в защитных газах пространственных конструкций из углеродистых и низколегированных сталей с использованием проволок как сплошного сечения, так и порошковых. Он позволяет обеспечить высокую устойчивость процесса сварки при нахождении источника питания на расстоянии до 80 метров от места сварки и дистанционного цифрового пульта управления.

Полуавтомат модели ПАРС И-321 с инверторным источником питания предназначен для сварки алюминия и его сплавов разными проволоками во всех пространственных положениях. Любая из моделей полуавтоматов хранит в памяти банк различных вариантов базового режима сварки и настроек, а переход с одного базового режима на другой происходит путем выбора соответствующего номера режима. Предусмотрена возможность расширения банка режимов сварки, их смены и дополнения вне зависимости от типа шва и его пространственного положения. Всего внедрено более 150 комплектов полуавтоматов на ряде заводов страны: ОАО ЭМК “Атоммаш”, ОАО “Уралмаш”, ОАО “Мостостройиндустрия” и других.

Также освоен выпуск специализированного оборудования для проведения ремонтно-восстановительных работ наплавки под флюсом. Установка УНП-4 предназначена для наплавки мест износа подвесок тормозного башмака, а установка УНПБ-1 – для восстановления изношенных поверхностей надрессорной балки грузовых вагонов. Установки выполнены в блочно-модульном исполнении с цифровым управлением. Информационное взаимодействие модулей осуществляется через пульт управления. Например, в установке УНПБ-1 (рисунок 13) организовано согласованное взаимодействие девяти модулей: пульта управления, источника питания, привода перемещения стрелы, привода одноэлектродной горелки и четырех приводов четырехэлектродной горелки. Всего для вагонных депо МПС РФ было изготовлено 42 установки УНП-4 и 30 установок УНПБ-1.

Для предприятий черной металлургии и тяжелой промышленности были спроектированы и изготовлены девять комплектов оборудования для наплавки валков прокатных станов - установки УНВ3-5, УНВ5-4, УНВ2, ВСН-Р, КТВ-600 и КТВ-601, и для наплавки валков машин непрерывной разливки стали УНВ2-3 и УНВ3-3, а также другое специализированное сварочное оборудование.

Рисунок 13 - Внешний вид установки УНПБ-1 (1-балка подрессорная; 2-пульт управления; 3-колонна; 4-стрела; 5-суппорт вертикального перемещения; 6-четырех-электродная головка; 7-одноэлектродная головка; 8-вращатель позиционер; 9-манипулятор; 10- подпятник подрессорной балки).

Задача инвариантного управления комплексом свойств сварных соединений решалась в несколько этапов. Для реализации первого уровня была разработана информационно-измерительная система (ИИС) сбора и первичной обработки информации о функционировании объекта. ИИС включает пять первичных датчиков измерения тока и скорости сварки, напряжения на дуге, толщины штрипса и температуры визируемой точки поверхности обрабатываемого изделия. Определение компонентов Аyi вектора качества осуществляется в суммирующем блоке по линейным моделям. В сумматоре предусмотрена настройка уставок и коэффициентов, а также возможность формирования обобщенной функции качества с учетом веса важности частных критериев. В зависимости от соотношения уровня выходного сигнала и границ допуска на критериальную функцию загорается одна из ламп информационного табло. ИИС была выполнена в субблоках и вставных каркасах приборной стойки и испытана на опытном стане Московского трубного завода (ОАО “Филит”). Испытания были проведены при различных вариантах настройки модельного блока.

Использование ИИС для оценки состояния технологического процесса позволило упростить деятельность оператора и реализовать уровень автоматизированного управления (рисунок 14). В этом случае, получая от ИИС оценку состояния процесса, оператор, при необходимости, изменял величину управляющих воздействий (ток и скорость сварки).

Следующим после автоматизированной системы этапом развития управления процессом сварки труб на станах АДС явилась разработка инвариантной системы управления свойствами соединения с идентификатором в цепи обратной связи (рисунок 15). Идентификатором объекта выполнялась оценка состояния процесса, а затем по вычисленным отклонениям значений адаптированных показателей, в блоке формирования управляющих воздействий определялись их текущие оптимальные значения. Текущая оптимальная точка параметров режима находилась из условия минимума взвешенного среднеквадратического отклонения показателей.

Реализация системы была осуществлена на базе тиристорного регулятора к выпрямителю ВКСМ-1000, в котором была изменена схема формирования уставки. Численное моделирование показало, что применение системы позво-

Рисунок 15 - Система управления качеством сварки труб с идентификатором

в цепи обратной связи.

ляет значительно (в 2 раза) уменьшить разброс по всем показателям качества. Данные моделирования подтверждены результатами испытаний и эксплуатации системы на Московском трубном заводе позволившей на 25% снизить брак по сварным соединениям.

Нестационарный технологический процесс наплавки на прокатные валки с регламентируемым распределением свойств, с точки зрения управления, относится к сложным процессам. Его реализация потребовала как программного изменения регулирующих воздействий, так и их коррекцию при действии различных возмущений. Для определения программы подачи электродного материала были рассмотрены различные возможные варианты поступления основного металла в сварочную ванну с учетом перекрытия как соседних валиков, так и слоев. Установлено, что при наплавке с распределением свойств участков в шахматном порядке достаточно ограничиться программированием девяти возможных случаев.

В установке для наплавки, реализованной на базе полуавтомата А1401, координаты сварочной головки относительно наплавляемого участка определяются с помощью датчика линейных перемещений и датчика угла поворота. Затем по измеренным координатам определяется концентрация легирующего элемента в основе Со и его требуемая концентрация Снтр в наплавляемом участке. Идентификация текущего значения концентрации Сн проводится в два этапа. Вначале по параметрам режима идентифицируются параметры сварочной ванны, а затем по этим параметрам, координатам и коду участка находится Сн. При рассогласовании Снтр и Сн требуемая концентрация легирующего элемента в подаваемом материале обеспечивается соответствующим соотношением скоростей подачи электродных материалов. Специализированное программное устройство было выполнено на логических элементах. Внедрение системы программного регулирования на стане 1150 Мариупольского металлургического комбината позволило повысить износостойкость наплавленного слоя и увеличить срок службы валков в 2-2,5 раза.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Современное сварочное производство изделий ответственного назначения характеризуется высоким уровнем требований к показателям качества и надежности сварных соединений. Проведенными исследованиями установлено, что обеспечение этих требований может быть достигнуто в результате разработки информационно-измерительных систем оценки качества состояния процесса, позволяющих снизить нестабильность элементов процесса за счет их аттестации на этапе подготовки производства, и разработки инвариантных управляющих всем комплексом свойств соединения систем на этапе его проведения.

2. Установлено, что вследствие действия контролируемых и неконтролируемых возмущений и невозможности измерения в ходе процесса большинства показателей качества сварного соединения, управление дуговой сваркой необходимо вести по схеме с идентификатором в цепи обратной связи.

3. Впервые предложен формализованный метод анализа дуговой сварки как объекта управления комплексом свойств соединения, основанный на установлении соответствия между структурой измерительных и управляющих каналов и возможностью управления дуговой сваркой в области допустимых значений показателей качества.

4. Впервые предложен способ адаптации процессов сварки к действию неконтролируемых возмущений, основанный на оценке уровня неконтролируемых возмущений по разности между измеренным в визируемой точке очага плавления и идентифицированным по модели значениями системного параметра.

5. На основании исследования характеристик, сопутствующих сварке электромагнитных излучений в инфракрасной области спектра, построен обобщенный спектрально-энергетический портрет, отражающий суперпозицию протекающих в сварочном контуре физико-химических процессов, что позволяет использовать температуру фиксированной точки поверхности очага плавления в качестве системного параметра, отображающего состояние процесса.

6. Предложен метод расширения области устойчивого саморегулирования процесса дуговой сварки с периодическими короткими замыканиями на меньшие длины дуг, основанный на использовании естественных флуктуаций напряжения дуги для организации слежения за ее средним значением, что позволяет при снижении нестабильности элементов процесса и учете изменения его инерционности, расширить технологические возможности процесса и обеспечить управление всем комплексом свойств соединения.

7. В результате проведенного для сварочного контура “источник питания – электрод – дуга – сварочная ванна” процесса сварки с неплавящимся электродом моделирования:

а) характеристик сварочной дуги при действии возмущений получена ее полная передаточная функция, отображающая процессы как в столбе дуги, так и в приэлектродных областях, что позволяет учитывать при расчете сварочных регуляторов режима инерционность приэлектродных областей;

б) поведения сварочной ванны при вариации действующих сил (давления дуги, поверхностного натяжения и внутреннего трения) получена ее передаточная функция, отображающая гидродинамические процессы в сварочной ванне в виде колебательного звена, что позволяет учитывать динамику изменения длины дуги при анализе устойчивости сварочного контура и формировании управляющих воздействий;

в) свойств сварных соединений при варьировании входных переменных получены:

- уравнение стойкости против межкристаллитной коррозии, на основе совместного решения дифференциальных уравнений поглощения азота жидким металлом сварочной ванны и образования нитридов титана;

- регрессионные уравнения показателей качества для процесса аргонодуговой сварки труб из стали 12Х18Н10Т (стойкость против горячих трещин, глубина подрезов, ширина обратного валика) и ряда других технологических процессов сварки, что позволяет использовать эти уравнения при управлении свойствами сварных соединений по схеме с идентификатором в цепи обратной связи.

8. В результате проведенного моделирования процесса сварки с периодическими короткими замыканиями получено его математическое описание в форме Марковского случайного процесса непрерывного времени. Это позволяет использовать переходные вероятности и интенсивности выхода процесса из основных состояний (горения дуги, короткого замыкания и холостого хода) для интегральной количественной оценки качества сварки и разработке информационно-измерительных систем для аттестации элементов сварочного контура.

9. В результате проведенного для сварочного контура “источник питания – электрод – дуга – сварочная ванна” моделирования взаимодействия оператора со сварочным контуром установлена зависимость качества сварных соединений от характеристик программного моторного выхода, что позволяет использовать количественную оценку этих характеристик при разработке информационно-измерительных систем для аттестации компонентов квалификации операторов.

10. Научные исследования доведены до инженерных решений, что позволило повысить надежность и качество сварных соединений в ряде отраслей машиностроения. По результатам проведенных в диссертации исследований:

а) разработаны и внедрены на Московском трубном заводе (ОАО ”ФИЛИТ”) информационно-измерительная, автоматизированная и с идентификатором в цепи системы управления технологическим процессом сварки труб на станах АДС. Внедрение систем позволило в 2 раза снизить дисперсию показателей качества сварных соединений и на 25% снизить брак по сварным соединениям;

б) разработана и внедрена на Мариупольском металлургическом заводе им. Ильича система программного управления с идентификатором в цепи обратной связи для наплавки рабочего слоя прокатных валков, что позволило за счет повышения износостойкости наплавленного слоя увеличить срок эксплуатации валков в 2-2,5 раза;

в) создана и прошла опытно-промышленное испытание в условиях ОАО “ЭМК Атоммаш” информационно-измерительная система аттестации сварочных материалов, оборудования и операторов. Система позволяет сократить более чем на 30% брак сварных соединений при производстве ответственных металлоконструкций в энергомашиностроении;

г) разработаны и испытаны информационно-измерительные устройства для аттестации характеристик программного моторного выхода операторов. Апробация устройств при подготовке 5 групп операторов профессии электросварщика позволила сократить срок подготовки в 2-3 раза, при сокращении материальных затрат в 3-5 раз ;

д) разработано в блочно-модульном исполнении на основе цифровой промышленной сети и внедрено на ряде заводов семейство сварочного оборудования: полуавтоматы серии ПАРС для сварки в среде защитных газов и под флюсом пространственных ответственных конструкций, всего в количестве более 150 экземпляров; наплавочные установки для вагонных депо МПС РФ в количестве 72 комплектов и для металлургических заводов в количестве 9 комплектов. Внедрение специализированного оборудования позволило повысить надежность сварных соединений и сократить брак при сварке на 15-35%.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях.

1. Сас, А.В. Повышение эффективности управления свойствами сварных соединений. Автоматическое управление // Свароч. пр-во. - 1996. - № 7- С. 30-32.
2. Сас, А.В. Повышение эффективности управления при ручной и механизированной сварке // Свароч. пр-во. - 1996.- № 9.- С. 27-29.
3. Гладков, Э.А. Принципы построения систем управления технологической прочностью / Э.А. Гладков, Б.Ф. Якушев, А.В. Сас // Автомат. сварка.- 1981.- № 6.- С. 4-8.
4. Синельников, Н.Г. Исследование качества сварки торцевых тонко-листовых соединений в условиях действия возмущений / Н.Г. Синельников, А.В. Сас, В.М. Ганюшин // Автомат. сварка.- 1985.- № 1.- С. 37-41.
5. Гладков, Э.А. Информационно-измерительная система сварки труб на станах АДС / Э.А. Гладков, А.В. Сас, Н.А. Ширковский // Свароч. пр-во. - 1985.- № 3.- С. 3-4.
6. Сас, А.В. Управление сложными технологическими процессами дуговой сварки и наплавки / А.В. Сас, С.В. Гулаков, Б.И. Носовский // Свароч. пр-во.. - 1985.- № 8.- С. 30-32.
7. Гладков, Э.А. Динамические процессы в сварочной ванне при вариации действующих сил / Э.А. Гладков, И.А. Гуслистов, А.В. Сас // Свароч. пр-во. - 1974.- № 4.- С. 5-6.
8. Гладков, Э.А. Динамические характеристики свободной дуги постоянного тока с неплавящимся электродом / Э.А. Гладков, А.В. Сас // Свароч. пр-во. - 1979.- № 3.- С. 3-4.
9. Сас, А.В. Марковская модель процесса дуговой сварки / А.В. Сас, О.В. Ульянова, А.В. Чернов // Свароч. пр-во. - 2006.- № 8.- С. 14-17.
10. Акулов, А.И. О связи температуры поверхности очага плавления с величиной проплавления / А.И. Акулов, А.В. Чернов, А.В. Сас // Изв. вузов. Машиностроение.- 1981.- № 2.- С. 106-109.
11. Гладков, Э.А. Задачи управления качеством формирования шва при дуговой сварке / Э.А. Гладков, Г.Г. Чернышов, А.В. Сас // Изв. вузов. Машиностроение.- 1981.- № 12.- С. 11-12.
12. Сас, А.В. Технологический процесс сварки как объект в АСУ / А.В. Сас, Э.А. Гладков // Изв. вузов. Машиностроение.- 1983.- № 8.- С. 144-146.
13. Сас, А.В. Зондовые исследования частотных свойств плазменного факела при лазерной сварке / А.В. Сас, В.В. Иванов, М.Г. Тулубенский // Изв. вузов. Машиностроение.- 1983.- № 1.- С. 129-131.
14. Гладков, Э.А. Управление сваркой плавлением по идентифицируемым моделям / Э.А. Гладков, А.В. Сас, Н.А. Ширковский // Изв. вузов. Машиностроение.- 1985.- № 8.- С. 101-107.
15. А.с. 837655(СССР) МКИ В23К 9/00 Способ регулирования процесса дуговой сварки / Б.Ф. Якушин, А.В. Сас, Н.Г. Гаджиев, Э.А. Гладков // Б.и.- 1981.- № 22.
16. А.с. 1013163(СССР) МКИ В23К 9/10 Способ автоматического регулирования глубины проплавления / А.В. Сас, Э.А. Гладков, А.В. Чернов // Б.и.- 1983.- № 15.
17. А.с. 1073965(СССР) МКИ В23К 26/00 Устройство для лазерной сварки / В.Н. Бродягин, Э.А. Гладков, А.В Сас // Б.и.- 1983.- № 43.
18. А.с. 1092857(СССР) МКИ В23К 26/00 Устройство для лазерной сварки / А.В. Сас, М.Г. Тулубенский // Б.и.- 1984.- № 6.
19. А.с. 1123198(СССР) МКИ В23К 26/00 Способ управления процессом лазерной сварки и устройство для его осуществления / В.Н. Бродягин, А.В. Сас // Б.и.- 1984.- № 17.
20. А.с. 1223542(СССР) МКИ В23К 26/00 Устройство для лазерной сварки / А.В. Сас, М.Г. Тулубенский // Б.и.- 1954.- № 4.
21. А.с. 1297093(СССР) МКИ В23К 19/14 Тренажер оператора / А.В. Сас, Б.П. Грузинцев, В.А. Парахин // Б.и.-1986.- № 10.
22. А.с. 1442345(СССР) МКИ В23К 9/08 Способ двухдуговой сварки / А.М. Рыбачук, Г.Г. Чернышов, Э.А. Гладков, А.В. Сас // Б.и.- 1988.- № 45.
23. А.с. 1489933(СССР) МКИ В23К 19/08 Способ тренировки сварщиков / А.В. Сас, Б.П. Грузинцев, В.А. Парахин // Б.и.- 1989.- № 24.
24. А.с. 1506465 (СССР) МКИ В23К 19/14. Устройство тренировки сварщиков / А.В. Сас, Б.И. Грузинцев, А. Лебяжьев // Б.и. – 1989. - № 25.
25. А.с. 1618544 (СССР) МКИ В23К 19/1. Способ регулирования процессов дуговой сварки / О.И. Стеклов, И.А. Зарытовский, А.В. Сас // Б.и.- 1990.- № 32.
26. Динамика температурного поля поверхности металла сварочной ванны / А.И. Акулов, И.А. Гуслистов, А.В. Чернов, А.В. Сас // Тр. ТПИ. – 1979. - Вып.2.- С. 22-26.
27. Построение систем управления процессами сварки плавлением / А.И. Акулов, И.А. Гуслистов, А.В. Чернов, А.В. Сас // Повышение качества и эффективности сварочного производства на предприятиях г. Москвы. - М.: МДНТП им. Дзержинского.- 1980.- С. 46-49.
28. Сас, А.В. Автоматизированная система управления качеством аргонодуговой сварки труб // Технология, контроль качества и прочность сварных конструкций.- М.: Тр. МВТУ.- 1980.- № 337.- С. 81-88.
29. Лосев, В.М. Вопросы идентификации моделей в дуговой сварке / В.М. Лосев, А.В. Сас, Э.А. Гладков // Технология, контроль качества и прочность сварных конструкций.- М.: Тр. МВТУ.- 1981.- № 363.- С. 101-110.
30. Гладков, Э.А. Принципы построения АСУ технологическим процессом сварки / Э.А. Гладков, А.В. Сас, В.Н. Бродягин // Повышение эффективности и использование вычислительной техники в сварке: тез. Всесоюз. науч. конф.-Липецк, 1982.- С. 151-157.
31. Сас, А.В. Модельное представление деятельности оператора при ручной дуговой сварке / А.В. Сас, Б.П. Грузинцев, В.А. Парахин // Технология, контроль качества и прочность сварных конструкций.- М.: Труды МВТУ, 1985. - № 234.- С. 41-51.
32. Сас, А.В. Расчет элементов систем автоматического регулирования сварочных процессов на ЭВМ / А.В. Сас, Э.А. Гладков, М.Г. Тулубенский.- М.: Изд-во МГТУ, 1989.- 16 с.
33. Стеклов, О.И. Оценка качества регулирования дуговой сварки по модели контура “зрительный анализатор - моторный выход / О.И. Стеклов, А.В. Сас, Б.П. Грузинцев // Повышение эффективности и надежности инструмента, оборудования и сооружений нефтяной, газовой и нефтехимической промышленности : сб. тр.- М.: МИНГ, 1989.- С. 14-20.
34. Стеклов, О.И. Пирометрическое обеспечение систем управления качеством сварочных процессов / О.И. Стеклов, И.А. Зарытовский, А.В. Сас // Повышение эффективности и надежности инструмента, оборудования и сооружений нефтяной, газовой и нефтехимической промышленности: сб. тр.- М.: МИНГ, 1989.- С. 41-46.
35. Сас, А.В. История и тенденции автоматизации сварки плавлением /А.В. Сас, А.И. Акулов // Стабильность и качество сварных соединений и конструкций: межвуз. сб. - М.: МАСИ, 1991.- С. 63-72.
36. Sas, A.V. The increasing control efficiency // Abstract of the second international congress protection 95. - M.: SAOG.- 1996.- p. 197.
37. Сас, А.В. Современное состояние и проблемы подготовки высококвалифицированных кадров // Проблемы сварки и прикладной электротехники : материалы Междунар. науч.-техн. конф. "ХI Бенардосовские чтения".- Иваново, 2003.- С. 74-82.
38. Сас, А.В. Полуавтоматы серии ПАРС с синергетическим управлением для сварки с плавящимся электродом / А.В. Сас, С.Ф. Трух, А.В. Долиненко // Сварщик – профессионал.- 2005.- № 1.- С. 9-13.
39. Сас, А.В. Разработка системы управления процессом наплавки рабочего слоя плоскостных деталей с идентификатором в цепи обратной связи / А.В. Сас, А.С. Левашов, В.В. Макаров // Вестн. Курган. ун-та. Сер. Техн. науки.- Курган: Изд-во КГУ, 2005.- Вып. 2. - С. 46-48.
40. Сас, А.В. Разработка системы программного регулирования рабочего слоя тел вращения с регламентированным распределением свойств / А.В. Сас, А.С. Левашов // Основы технологии мех-кор. прочности, защиты и мониторинг сварных нефтегазовых конструкций и сооружений: сб. тр. к 75 летию РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина.- М., 2005. - № 2.- С. 37-48.
41. Sas A.V. Markovian model of the process of manual arc welding / A.V. Sas, O.V. Ul’yanova, A.V.Chernov // Welding International 2007.- V. 21.- № 1.- P. 55-58.
42. Сас, А.В. Повышение эффективности процесса наплавки при изготовлении и ремонте трубопроводной арматуры / А.В. Сас, А.С. Левашов, В.В. Макаров //ХII Бенардосовские чтения: материалы Междунар. науч.-техн. конф.- Иваново, 2005.- С. 76-78.
43. Обеспечение устойчивости процесса сварки короткой дугой в углекислом газе для различных условий и стадий процесса / А.В. Сас, С.Ф. Трух, Д.А. Юшин, В.Н. Сорокин //Сварщик–профессионал.- 2005.- № 5- С. 12-13.
44. Сас, А.В. Методы методика, и электронные тренажеры подготовки и аттестации сварщиков / А.В. Сас, Б.П. Грузинцев, К.А. Ганусов // Состояние и основные направления развития неразрушающего контроля сварных соединений объектов транспорта газа.- М.: ООО “ИРЦ Газпром”, 2006.- С. 225-232.
45. Сас, А.В. Информационно-измерительные системы в управлении сварочным производством: монография // Юж.-Рос. гос. тех. ун-т.- Новочеркасск: Ред. журнала "Изв. вузов. Электромеханика", 2008. – 158 с.