УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СТЫКОВОЙ СВАРКИ

Полезная модель относится к сварочному производству и может быть использовано для соединения термопластмассовых труб и фитингов, также может быть использовано для автоматического управления сваркой полимерных материалов.
Общей проблемой стыковой сварки полимерных труб, особенно требующих герметичности и прочности сварных соединений, является требование к неразрушаемому контролю сварных соединений в процессе сварки и/или сразу после ее окончания. При этом следует учесть, что качество сварочного соединения напрямую связано с автоматизацией процесса сварки, поэтому современное направление сварочного производства идет по пути максимальной автоматизации для исключения субъективных факторов состояния сварщика, особенно это касается ответственных работ, например соединения труб при прокладке различных трубопроводов.
Известен «Способ автоматического регулирования процесса стыковой контактной электросварки» (см. патент РФ №525277), при котором перед началом сварки задают конечную величину одной из характеристик относительного уровня мощности, выделяемой в свариваемых изделиях, начальную скорость оплавления и температуру оплавляемых торцов свариваемых изделий, соответствующую моменту начала осадки, а затем нагревают торцы изделий до заданной температуры при непрерывном изменении скорости оплавления, отличающийся тем, что, с целью повышения тепловой эффективности процесса оплавления и экономичности процесса сварки, изменением скорости оплавления осуществляют непрерывное изменение выбранной перед началом сварки характеристики относительно
уровня мощности, выделяемой в свариваемых изделиях, в зависимости от отношения текущей температуры оплавляемых торцов изделий к ее заданной перед началом сварки величине, соответствующей моменту начала осадки, таким образом, что выбранная перед началом сварки характеристика относительного уровня мощности достигает заданной перед началом сварки конечной величины к моменту начала осадки.
Недостатком данного способа является трудность его практического выполнения и как следствие или ухудшение технических характеристик или увеличение аппаратурных затрат.
Известен способ по «Устройству для автоматического управления сваркой» (см. заявку РФ №98102138, RU, БИ №33. 27.11.99), сварочный источник питания, сварочный источник нагрева, сварочный привод, датчики измерения технологических параметров процесса сварки, установленную перед сварочным источником нагрева телевизионную камеру, снабженную оптической насадкой для выравнивания контрастности изображения в зоне сварки, два выхода которой подключены, соответственно, к входу блока измерения положения и параметров стыка и первому входу блока измерения геометрии сварочной ванны, управляющую ЭВМ, устройство для ввода-вывода информации в управляющую ЭВМ, интерфейс пользователя, отличающийся тем, что оно дополнительно содержит привод вертикальной и поперечной коррекции положения сварочного источника нагрева, установленную после сварочного источника нагрева телевизионную камеру, снабженную оптической насадкой для выравнивания контрастности изображения в зоне сварки, блок измерения параметров формируемых дефектов сварного шва, при этом привод вертикальной и поперечной коррекции положения сварочного источника нагрева соединен с выходами блока измерения положения и параметров стыка, подключенного также к входу устройства ввода-вывода информации в управляющую ЭВМ, и устройства ввода-вывода информации в управляющую ЭВМ, два выхода установленной после сварочного источника нагрева
телевизионной камеры подключены, соответственно, к второму входу блока измерения геометрии сварочной ванны и к входу блока измерения параметров формируемых дефектов сварного шва, выходы которых соединены с входами сварочного источника питания и устройства ввода-вывода информации в управляющую ЭВМ, а управляющая ЭВМ содержит нейросетевой сопроцессор.
Недостатком данного способа является схемная, а следовательно и аппаратурная сложность его выполнения и, несмотря на высокую сложность, недостаточная надежность сварного соединения.
Известен способ по устройству S.A.S. 2000 для управления процессом сварки пластмасс, см. Проспект фирмы «Омикрон ГмВХ» - AZG-221 - Tobelwase-newg 33/35 - 72235 Weiueim/Teck, в котором процесс сварки и даже все его сопутствующие параметры заранее записаны в память процессора, который получает информацию о процессе сварки (температура шва, давление, время и т.д.) и непрерывно информирует оператора в течение всего процесса сварки («ведет» оператора), контролирует и протоколирует все заданные параметры сварки, кроме того, опознает и сообщает об ошибках при обслуживании непосредственно сварочной машины, по каждой выполненной сварке составляется протокол. Предусмотрен и ручной режим - ПРОТОТИП.
Недостаткоми данного устройства является неоправданная аппаратурная сложность, т.е. предусматривается, с чисто немецкой пунктуальностью, все мельчайшие приемы и процессы в режиме сварки, их отключения и, что нужно делать при их изменениях и т.д. и т.п., т.е. идут непрерывные подсказки. Это и приводит к усложнению устройства, к увеличению габаритно-массовых характеристик, а следовательно и к повышению стоимости, т.е. не выполняется одно из основных требований экономики производства: «Стоимость-эффективность». Кроме того не блокируется процесс сварки при нарушениях технологических требований, таких как снижение давления и пр.
Технической задачей изобретения является повышение качества сварных соединений с оптимизацией габаритно-массовых характеристик.
Для решения поставленной задачи предлагается способ автоматического управления процессом стыковой сварки и устройство для его осуществления, при котором для каждого типа свариваемых труб расчитывается специализированная диаграмма давление-время; вводят расчитанные диаграммы и все данные о типах и параметрах свариваемых труб в память процессора; свариваемые трубы закрепляют на одной оси, затем концы труб торцуют, потом нагревают до образования наплыва, после чего нагрев прекращают, а трубы стыкуют между собой при плавно нарастающем давлении от нуля до заданной величины и при ее достижении охлаждают, поддерживая во все время охлаждения давление на постоянном уровне, при этом весь процесс, начиная с торцевания и кончая полным охлаждением, идет по диаграмме: давление-время и записывается в постоянную память для формирования протокола сварочного шва.
Устройство содержит: микропроцессор с ЖК-дисплеем, клавиатуру ввода, дисковод, гидроагрегат, гидроцилиндры и связывающие их между собой гидрошланги, электропривод, торцеватель, нагревательный элемент, одно и двунаправленные параллельные шины адреса и данных, шину последовательного интерфейса, первый, второй, третий и четвертый управляющие сигналы, первый и второй информационные сигналы, соединенные следующим образом: клавиатура соединена параллельной односторонней шиной адреса и данных с МП, который двусторонней параллельной шиной адреса и данных соединен с дисководом, шиной последовательного интерфейса с внешним процессором, а выходными первым и вторым управляющими сигналами - с гидроагрегатом и электроприводом соответственно, первым и вторым информационными сигналами - с гидроагрегатом и нагревательным элементом соответственно, третьим и четвертым управляющими сигналами - с торцевателем и нагревательным элементом соответственно, выход электропривода механически связан с нагревательным элементом и
торцевателем, пространственное положение которых определяется вторым управляющим сигналом, выход гидроагрегата через гидрошланги связан с гидроцилиндрами, которые жестко связаны с подвижной свариваемой трубой.
На фиг.1 изображена структурная схема, на фиг.2 - диаграмма: давление-время, на фиг.3 - общий вид, на которых изображено: 1 - микропроцессор с жидкокристаллическим дисплеем (МП), 2 - клавиатура, 3 - дисковод, 4 - гидроагрегат, 5 - два гидроцилиндра, 6 - электропривод, 7 - торцеватель, 8 - нагревательный элемент, 9 - свариваемые трубы на раме с креплением. МП1 связан однонаправленной шиной адреса и данных с клавиатурой 2, двунаправленной шиной адреса и данных - с дисководом 3, шиной последовательного интерфейса с внешним процессором (на чертеже условно не показан), МГЦ первым и вторым информационными сигналами соединен с гидроагрегатом 4 и нагревательным элементом 8 соответственно (вх1 и вх2), первым и вторым управляющими сигналами - с гидроагрегатом 4 и электроприводом 6 соответственно (вых1 и вых2), третьим и четвертым управляющими сигналами - с торцевателем 7 и нагревательным элементом 8 соответственно (вых3 и вых4), выход электропривода 6 механически связан с торцевателем 7 и нагревательным элементом 8, выход гидроагрегата 4 через гидравлические шланги связан с обоими гидроцилиндрами 5, которые жестко соединены зажимными кольцами с подвижной свариваемой трубой, вторая свариваемая труба через свои зажимные кольца жестко связана с неподвижным основанием (рамой).
Указанные узлы и блоки могут быть выполнены, например:
МП1-фирмы Intel 80 с 188ЕС-16, см. Каталог "Сектор электронных компонентов. Россия - 99", М, ДОДЭКА, 99 г. стр.487;
ЖК-дисплей - фирмы POWER TYP PG-12864A 128×64 точки с подсветкой, см. Aktiv-Matrix-LCD′s LDE052T-12 320×240 5.1 N46029, TECHNISCHER KATALOG 96/97 г. фирмы Setron, стр.466 38032, Brauschweig, Germany;
клавиатура 2 - фирмы GEBE серии ТХ120х, см. каталог №1 "Все необходимое для индустриальных, бортовых и встроенных систем управления, контроля и сбора данных", М, 117313, а/я 81 Prosoft, стр.61;
дисковод 3 - фирмы SONY model MPF 920-E;
гидроагрегат 4 и гидроцилиндры 5 - фирмы OMICRON - Tobelwaseuweg 33/35 - 72235 Weilheim/Teck;
электропривод 6 - шаговый двигатель с силовым блоком управления, например типа ДШИ-200-3, см. Петербургский ж. "Электроника", 2/96, стр.35-37;
торцеватель 7 - электродрель с редуктором и насадкой с фрезами;
нагревательный элемент 8 - дискового типа ПСО 820.218.010 АЕ, разработка и производство ООО "Запсибгаз Омикрон", г.Тюмень.
Основой способа стыковой сварки является стыкование под давлением трубных торцов, предварительно прогретых перед операцией сварки до температуры оплавления при помощи помещаемого между ними нагревательного элемента, температура которого поддерживается автоматически. После прогрева торцов нагревательный элемент удаляется и трубы прижимаются друг к другу под давлением, на которое предварительно регулируется гидравлическая система сварочной машины. В результате образуется однородный с основным материалом труб сварочный шов, являющийся равнопрочным материалом стыкуемых труб. При сварке не требуется никаких присадочных материалов. Устройство по данному способу работает следующим образом. Предварительно расчитывается диаграмма давление-время (см. фиг.2) для каждого типа свариваемых труб, при этом учитывается тип материала, диаметр и толщина стенки свариваемых труб. Эти данные записываются в МП1 для дальнейшего контроля и составления протокола. Затем свариваемые трубы закрепляются зажимными кольцами на раме, причем одна труба неподвижная, а вторая подвижная за счет хода штоков гидроцилиндров 5 (см. фиг.3). После этого с клавиатуры 2 вводятся данные свариваемых труб в микропроцессор 1, контролируя
вводимые данные на ЖК-дисплее, МП1 по результатам введенных данных запросит диаграмму давление-время, соответствующую введенным данным свариваемых конкретных труб, запишет ее в свою оперативную память для управления процессом сварки согласно этой диаграмме. На раму в зажимные кольца укладываются свариваемые трубы таким образом, чтобы при установленном торцевателе был ход подвижной трубы не менее 8-ми см, после чего трубы закрепляются зажимными кольцами (см. фиг.3). Перед началом работы должен быть введен пароль для работы только тех лиц, которые имеют санкционированный доступ к проведению сварочных работ. Затем нажатием кнопки пуск на клавиатуре 2 (на фиг.1 условно не показана) МП1 включает электропривод 6 (упр. сигн.2), который подводит торцеватель 7 к торцам подвижной и неподвижной труб, при этом включаются фрезы для торцевания (упр. сигн.3) одновременно с подачей торцевателя 7 и его работой включается гидроагрегат 4 (упр. сигн.1), обеспечивающий нужное давление в гидросистеме (контроль давления по инф. сигн.1), по окончании торцевания торцеватель 7 убирается и к торцам труб подводится предварительно нагретый до заданной температуры (упр. сигн.4 и информ. сигн.2) нагревательный элемент 8 и происходит нагрев концов труб до образования наплыва заданной высоты с обеспечением давления по диаграмме на фиг.2. После достижения необходимого наплыва давление снимается, концы труб немного расходятся и нагревательный элемент 8 убирается, электропривод 6 отключается, снова включается гидроагрегат 4, горячие трубы стыкуются и давление плавно увеличивается до максимального и остается на этом уровне до охлаждения определенное время. Зажатие труб в это время не меняется. Процесс сварки закончился. Гидроагрегат 4 отключается, на ЖК-дисплее МП1 в реальном масштабе времени последовательно высвечивается вся диаграмма процесса сварки, которую легко контролировать, кроме того все параметры сварки, а также личный номер сварщика, его имя, время и место сварки, номер сварного шва и т.д. записывается в ОЗУ и хранится нужное (заданное) время. Все эти данные (протокол сварки),
по желанию пользователя, можно проконтролировать на встроенном ЖК-дисплее, либо перенести на персональный компьютер, записав данные с помощью дисковода 3 на флоппи-диск 3, 5, либо через шину последовательного интерфейса в персональный компьютер (внешний процессор). Протокол сварки во внешнем процессоре хранится в памяти и может быть распечатан в любое время.
Данный способ обеспечивает и предопределяет высокое гарантированное качество сварного шва за счет:
в МП1 введен перечень параметров сварки для всех типов труб, которые могут быть сварены устройством, оператору необходимо лишь выбрать из перечня данных конкретных свариваемых в данный момент труб;
после выбора конкретных труб МП1 расчитывает сварочные параметры и выдает их на экран ЖК-дисплея, отдельные данные можно подкорректировать с клавиатуры 2, например с учетом температуры окружающей среды, так при более низкой температуре нужно увеличить температуру нагревательного элемента и т.д.;
сам процесс сварки исключает ручной труд (за исключением закрепления труб к направляющим), т.е. полностью автоматизирован, что исключает возможные ошибки или отклонения в процессе сварки из-за индивидуальных особенностей сварщика вообще и в данный конкретный момент в частности;
применение шагового двигателя позволяет с высокой точностью устанавливать между трубами торцеватель и нагревательный элемент, что обеспечивает чистое торцевание и равномерный нагрев торцов труб;
блокировки процессов торцевания, нагрева и собственно сварки в случае нарушения технологических требований с целью пресечения брака в сварных швах с выдачей информации на ЖК-дисплей, с записью и звуковой сигнализацией;
выдерживание технологии процесса сварки за счет предварительной подготовки и строгого выдерживания параметров в процессе сварки априори обеспечивает высокое качество сварных швов, не зависящее практически от субъективных факторов, поэтому не требует дополнительного контроля швов после сварки.
Следует отметить, что даже неразрушающий контроль швов (сварных соединений) очень дорог (порядка 1000 $ за один километр - международные цены), таким образом налицо большая экономия средств и времени.