КОНТРОЛЛЕР КОНТАКТНОЙ СВАРКИ

1. Область применения
Заявляемое устройство применяется в контактной сварке в качестве устройства управления тиристорным контактором в машине контактной сварки. Помимо функции управления тиристорами контроллер несет функции контроля параметров качества сварки. Контроллер применяется совместно с тиристорным контактором (типа КТ-11УХЛ4, КТ-12УХЛ4 или аналогичным) и устанавливается в сварочной машине точечной сварки (например, МТ-2202-2 и т.п.).
2. Технические решения, описанные в литературе (уровень техники)
В технике уже известны регуляторы контактной сварки, выполняющие подобные функции по управлению. Аналогом заявляемого устройства можно считать серийный промышленно выпускаемый заводом «Электрик» (г. Санкт-Петербург) регулятор контактной сварки РВИ-801.
Ссылаясь на техническую документацию [1] (техническая документация на регулятор РВИ-801) по регулятору РВИ-801 можно выделить следующие его сходства с заявляемым устройством. В обоих устройствах имеется блок фазового управления тиристорным контактором с выходными усилительными каскадами. Имеются лампы индикации протекания цикла сварки. Имеется блок ввода параметров сварки (однако он существенно отличается от подобного блока заявляемого устройства).
Ссылаясь на техническую документацию [1] (техническая документация на регулятор РВИ-801) по регулятору РВИ-801 можно выделить следующие его недостатки. РВИ-801 не обеспечивает контроля параметров качества сварки (среднего действующего напряжения и тока сварки). Это приводит к нестабильности формирования размеров литого ядра. Элементов блока ввода параметров сварки много и они все расположены на лицевой панели устройства, что несколько неудобно при вводе параметров. Отсутствует блок вывода информации о прошедшей сварке. Элементная база РВИ-801 - это интегральные микросхемы малой степени интеграции, что уменьшает надежность этого устройства и увеличивает расходы на его ремонт.
Прототипом заявляемого устройства можно считать выпускаемую предприятием 000 «Техсервис» (г. Тольятти) сварочную кассету КТС-02Т.
Ссылаясь на официальный WEB-сайт и документы технических данных устройства [2] (официальный сайт 000 Техсервис http://www.texs.ru/) можно выделить следующие его сходства с заявляемым устройством. В обоих устройствах имеется блок фазового
управления тиристорным контактором с выходными усилительньми каскадами. Имеется блок ввода параметров сварки (однако он существенно отличается от подобного блока заявляемого устройства). Имеется блок вывода параметров сварки (однако он существенно отличается от подобного блока заявляемого устройства). Элементная база КТС-02Т и заявляемого устройства - это однокристальные микро-ЭВМ (однако разных марок).
Ссылаясь на официальный WEB-сайт и документы технических данных устройства [2] (официальный сайт 000 Техсервис http://www.texs.ru/) можно выделить следующие его недостатки. Контролируется лишь один параметр качества - ток. Измерение контролируемого параметра начинается вначале времени сварки, а его результат вычисляется только в конце времени сварки. В качестве стабилизируемого параметра качества сварки используется ток, поэтому при сварке смежных точек возникает шунтирующий эффект. Это приводит к нестабильности формирования размеров литого ядра. Используется 3-клавишная клавиатура типа «Параметр-Больше-Меньше»: это неудобно при поиске и установке нужного параметра сварки. В качестве устройства вывода используется светодиодный семисегментный индикатор. Такой тип индикатора может выводить лишь информацию в виде цифр и точек, но не может выводить текстовые сообщения.
3. Описание конструкции
Контроллер контактной сварки можно разделить на 5 блоков (см фиг. 1). На схеме:
1 - входные каскады, 2 - алфавитно-цифровой индикатор, 3 - микроконтроллер (однокристальная микро-ЭВМ), 4 - клавиатура, 5 - выходные каскады.
На входные каскады (1) поступают сигналы со сварочной машины: напряжение с электродов, напряжение с датчика тока. Блок (1) выполняет функции адаптации входных электрических сигналов для блока (3). Также на блок (1) поступает синхронизирующее напряжение, представляющее собой просто переменное напряжение с частотой сети 50 Гц. Блок (1) соединен с входами АЦП блока (3).
На индикатор (2) выдаются текстовые сообщения и значения параметров сварки, получаемые от микроконтроллера (3). В качестве интерфейса связи выступает между (2) и (3) выступает 8-разрядная параллельная шина данных. В качестве индикатора использован алфавитно-цифровой индикатор размерностью 2 строки по 16 символов.
Микроконтроллер (3) управляет работой блоков (2), (4), (5).
Блок (4) представляет собой 16-клавишную. Клавиатура подключается к микроконтроллеру (3) с использованием той же 8-разрядной шине, что и индикатор (2).
Выходные каскады (5) представляют собой усилительные каскады на мощных транзисторах и соединены с маломощными выходами микроконтроллера (3). Сигналы с выхода (5) подаются далее на исполнительный механизм сварочной машины (пневмоклапан) и импульсный трансформатор тиристорного контактора.
Блоки (1)-(3)-(5) образуют цепь обратной связи для контроля и регулирования параметров сварки.
Блок микроконтроллера (3) можно также подвергнуть декомпозиции, таким образом получается следующая схема (фиг. 2).
На схеме: 6 - блок АЦП (аналогово-цифрового преобразования) напряжения с электродов; 7 - блок АЦП напряжения с датчика тока; 8 - блок АЦП напряжения синхронизации; 9, 10, 11 - таймеры, обеспечивающие выдержку времени (сжатия, сварки и опрессовки соответственно); 12 - блок регистрации значений напряжения и вычисления управляющей фазы; 13 - блок подсчета значения среднего тока; 14 - блок управления клавиатурой и педалью; 15 - система управления клапаном; 16 - система управления фазой тиристоров; 17 - счетчик отработанных устройством полуволн тока и устройство подачи измерительного импульса; 18 - блок управления дисплеем.
Следует отметить, что приведенная схема расположена в микроконтроллере и связи между блоками реализованы в виде 8-разрядной шины микропроцессора и регистров.
Некоторые из блоков (6-18) реализованы в контроллере аппаратно в виде модулей ввода-вывода, блоков АЦП, периферийных узлов, а некоторые реализованы в виде аппаратно-программной части.
4. Технический результат полезной модели
С помощью контроллера контактной сварки достигается стабилизация размеров литого ядра при осуществлении контактной сварки деталей, причем этот результат достигается и для смежных точек, при сварке которых возникает шунтирующий эффект тока, что ранее влекло за собой уменьшение размеров ядра. В заявляемом устройстве стабилизация размеров литого ядра достигается за счет стабилизации напряжения на электродах. Второй результат - это произведение надежной точки сварки, даже если по каким-либо причинам (грязные электроды или детали) по точке сварки прошел ток, меньше критического минимума тока сварки. Это достигается за счет наличия устройства контроля среднего тока и повторной сварки. Третий результат - это предоставление
оператору полных сведений о прошедшей сварке. Это достигается за счет наличия алфавитно-цифрового индикатора в качестве устройства вывода информации.
5. Описание работы
Основная задача, при решении которой достигается технический результат полезной модели, сводится к стабилизации напряжения на электродах сварочной машины. Второй задачей является измерение сварочного тока и сравнение его с нижней заданной границей, в результате чего принимается решение о повторной сварке. Третьей задачей является вывод наиболее полных сведений о произведенной сварке в удобном для оператора представлении. Четвертой задачей является предоставление удобного пользовательского интерфейса при вводе параметров сварки.
Для решения основной задачи используется цепь обратной связи из блоков (1)-(3)-(5) (см. структурную схему устройства). Сигналы напряжения с электродов и напряжения с датчика тока преобразуются в блоке (1) и подаются на входы аналогово-цифровых преобразователей, входящих в состав (3).
В части описания конструкции блок (3) был декомпозирован, поэтому можно более подробно рассмотреть его работу (см. фиг. 2).
На вход блока АЦП (6) поступает преобразованное напряжение, снятое с электродов машины (19). Блок АЦП (6) выполняет преобразование напряжения в число и передает его далее в блок (12). Блок (7) работает аналогичным образом, но на его вход поступает сигнал (20) - преобразованный сигнал с датчика тока. Полученные цифровые эквиваленты поступают на блок (13). АЦП (8) замеряет уровень сигнала синхронизации (21) и передает цифровые значения на вход счетчика отработанных устройством полуволн тока и управления подачей измеряющего импульса (17), функцией которого является определение момента перехода напряжения через 0 (поиск момента синхронизации). Блок счетчика отработанных устройством полуволн тока и управления подачей измеряющего импульса (17) также выполняет функцию счетчика отработанных устройством полуволн.
Блок управления клавиатурой (14) управляет работой клавиатуры (22) и хранит введенные с ее помощью параметры сварки в виде цифровой оценки значений времени, напряжения и тока. С клавиатуры вводятся значения времени сжатия - для блока таймера времени сжатия (9), времени сварки - для блока таймера времени сварки (10), времени опрессовки - для блока таймера времени опрессовки (11), задаваемого напряжения - для блока регистрации значений напряжения и вычисления управляющей фазы (12), граничного тока - для блока подсчета значения среднего тока (13). Все эти данные также поступают на блок управления дисплеем (18) для их последующего отображения. На вход
блока (14) поступают как сигналы с клавиатуры (4), так и сигнал с педали сварочной машины (4), посредствам которой и осуществляется запуск всей системы. Эти сигналы обозначены как (22). После нажатия педали блок управления клавиатурой педалью (14) задает параметр и дает команду таймеру (9) для начала цикла сварки. Отличие заявляемого устройства от прототипа в том, что у последнего блок (14) соединен с блоком (4) посредствам внешней 8-разрядной шины данных (25).
После получения команды на запуск цикла и параметра времени выдержки, таймер времени сжатия (9) начинает ожидать конца этого времени, и одновременно при получении команды на запуск подает сигнал блоку системы управления клапаном (15) на включение клапана (23). После истечения времени в таймере времени сжатия (9) подается сигнал запуска таймера времени сварки (10). С этого момента начинается период цикла сварки. Он заканчивается по истечению времени таймера сварки (10).
Блоки (6), (7), (12), (13), (16), (17) работают во время этого периода сварки (время пока не сработал таймер времени сварки (10)). Полученные цифровые оценки напряжения и тока с блока АЦП напряжения электродов (6) и блока АЦП напряжения датчика тока (7) поступают на вход блоков регистрации значений напряжения и вычисления управляющей фазы (12) и блока подсчета значения среднего тока (13) соответственно. Блок регистрации значений напряжения и вычисления управляющей фазы (12) накапливает информацию в памяти о напряжении на электродах за текущую полуволну. Затем, когда эта полуволна заканчивается, этот блок вычисляет значение управляющей фазы, в качестве исходных данных используя именно эти накопленные данные. Эта вычисленная управляющая фаза подается на блок системы управления фазой тиристоров (16). Отличие заявляемого устройства от прототипа в том, что у последнего отсутствуют блоки (6), (12), (17), а блок (13) не соединен с блоком (9).
Блок подсчета значения среднего тока (13) выполняет примерно такую же функцию, что и блок регистрации значений напряжения и вычисления управляющей фазы (12), за разницей того, что на его вход поступают цифровые эквиваленты тока, и они не накапливаются за текущую фазу, а просто суммируются друг с другом для вычисления затем среднего значения тока за весь цикл сварки. В этом блоке принимается решение в конце цикла сварки о ее повторном проведении.
Блок счетчика отработанных устройством полуволн тока и управления подачей измеряющего импульса (17) работает как счетчик полуволн и выполняет функцию генерации команды на первую измерительную волну, т.е. дает команду об этом блоку системы управления фазой тиристоров (16).
Блок системы управления фазой тиристоров (16) отвечает за генерацию импульсов управления тиристорами (24). На первой волне блок счетчика отработанных устройством полуволн тока и управления подачей измеряющего импульса (17) дает команду о измерительной волне малой мощности, а при последующих волнах - блок регистрации значений напряжения и вычисления управляющей фазы (12) дает блоку системы управления фазой тиристоров (16) указания о величине угла фазы открытия тиристоров.
После окончания фазы сварки наступает фаза опрессовки (запускается выдержка таймера времени опрессовки (11)). После окончания времени выдержки блок таймера времени опрессовки (11) дает команду блоку подсчета значения среднего тока (13). Блок подсчета значения среднего тока (13) сравнивает полученное значение тока с граничным, и если ток меньше граничного, блок подсчета значения среднего тока (13) дает команду таймеру времени сжатия (9) о повторной сварке (при этом весь алгоритм повторяется заново). Если блок подсчета значения среднего тока (13) не дает команду повторной сварки, то блок управления клапаном (15) выключает клапан, а блок управления дисплеем (18) выдает на дисплей полученные значения параметров тока, напряжения и времени (25). Отличие заявляемого устройства от прототипа в том, что у последнего блок управления дисплеем (18) соединен с блоком (2) посредствам внешней 8-разрядной шины данных (25).
О том, что основной технический результат достигается за счет стабилизации
напряжения, говорится в [3] («Автоматика и автоматизация сварочных процессе» Н.С.Львов, Э.А.Гладков М.: «Машиностроение» 1982 г. - страницы 204-205). В этом источнике доказывается данное утверждение следующим образом.
Схематично процесс сварки можно представить следующим образом (см. фиг. 3). В таком случае в процессе сварки второй и последующей точек мощность будет
рассеиваться на предыдущих сваренных точках (фиг. 4). Таким образом, последующие
смежные точки будут провариваться несколько хуже. На схеме:
CB
CBl
2
=
II+ICB
CBl
I - сварочный ток, протекающий по токоведущим частям машины;
icbi - сварочный ток, протекающий по текущей точке;
CB2
1 - сварочный ток, протекающий по смежной точке;
Схема позволяет обеспечить постоянность мощности, выделяемой в каждой точке сварки (фиг. 5). Расчет производится по закону Ома для участка цепи. На схеме:
cв
=
U const
CB2
CBl
I < I
CBl
CB
1
I = U/R= const
CB
U -стабилизированное напряжение на электродах;
1
R - сопротивление текущей точки сварки;
В прототипе заявляемого устройства в качестве стабилизируемого параметра выступает ток сварки, что приводит к непровару смежной точки (фиг. 4). Также прототип не может стабилизировать контролируемый параметр, если, например, во время сварки резко понизилось напряжение сети (что бывает часто на производственных участках). Прототип не сможет оценить это падение напряжения во время сварки, так как решение об изменении угла открытия тиристоров принимается уже после окончания сварки (так называемая ступенчатая стабилизация тока).
При решении второй задачи используется значение среднего действующего тока и нижнего граничного, которое заносится до сварки в качестве одного из параметров сварки. При падении измеренного значения ниже граничного в блоке (13) принимается решение о проведении повторной сварки без разжатия электродов. Это решение принимается уже после проведения первоначальной сварки. Прототип устройства не обладает такой функцией. Результат достигается решением данной задачи потому, что если по каким-либо причинам (толщина детали, характеристики сварочного трансформатора, падение напряжения в сети) контроллер не сможет обеспечить ток сварки не менее граничного (граничный ток устанавливается опытным путем), повторная сварка точки может уменьшить вероятность непровара соединения.
В отличии от прототипа, заявляемое устройство имеет удобную систему ввода (4) и (14) и вывода (2) и (18) информации (16 - клавишную клавиатуру и русифицированный буквенно-цифровой индикатор). Это позволяет в удобном для оператора и наладчика сварочной машины режиме производить ввод параметров, их проверку, а также смотреть итоговые параметры прошедшей сварки. На индикатор также выводятся текстовые сообщения, информирующие оператора о проводимых им действиях.
6. Краткое описание чертежей Фиг.1 - Структурная схема контроллера контактной сварки (I) и управляемая им
CB
сварочная машина (II). Фиг. 2 - Декомпозиция блока микроконтроллера (3) Фиг.3 - Схематичное изображение процесса сварки при стабилизации сварочного тока Фиг. 4 - Потеря мощности при сварке смежных точек Фиг. 5 - Стабилизация напряжения U
7. Пример исполнения
Контроллер контактной сварки реализован с применением микроконтроллера PIC16F877, алфавитно-цифрового дисплея ВС 1602 и 16-клавишной клавиатуры с контактами типа «матрица» СН-04. Устройство находится в корпусе вместе с блоком питания и разъемами для подключения к сварочной машине.
На момент подачи заявки заявляемое устройство было реализовано и испытано на машиностроительном заводе на машине контактной сварки МТ-2202-1 и показало следующие результаты.
После необходимой настройке контроллера и выбора ступени сварочной машины было произведено около 10000 сварок за 2 суток. При выборе 18 изделий из этой партии был произведен распил сваренных деталей (по 2 точки на каждую деталь), при этом размер литого ядра составлял 4,6-5,5 миллиметра. Выбор деталей производили по 2 шт. за 1 рабочую смену (вначале и в середине смены). Допустимый размер литого ядра на участке был установлен конструкторским отделом предприятия до начала испытаний и равен 4-6 мм. Это доказывает практическую применимость контроллера и достижимость с его помощью заявленного технического результата.