МЕХАНИЗМ ИМПУЛЬСНОЙ ПОДАЧИ ПУЧКА ЭЛЕКТРОДОВ
MECHANISM OF ELECTRODE BUNDLE PULSE SUPPLY

Изобретение относится к технологическому сварочному оборудованию, в частности к устройствам для подачи пучка сварочных электродов в зону сварки.
Известен способ управления линейным электромагнитным двигателем однообмоточного типа (патент RU 2127017, МПК Н02К 33/02), заключающийся в том, что на обмотку двигателя подают импульс напряжения, причем первый импульс напряжения подают в период рабочего хода якоря, а второй и последующие импульсы напряжения - в период холостого хода с периодом не более суммарного времени рабочего и холостого хода. Реализация управления по предлагаемому способу осуществлена по функциональной схеме, включающей источник питания постоянного или переменного тока; блок формирования управляющих импульсов рабочего хода с устройством их управления; линейный электромагнитный двигатель, содержащий обмотку, якорь и возвратную пружину.
Недостатком этого решения является схемное описание блока формирования импульсов и то, что не раскрыт состав устройства управления.
Известен механизм импульсной подачи сварочной проволоки, содержащий корпус с сердечником, установленным с возможностью возвратно-поступательного перемещения и фиксации относительно корпуса, электромагнитную катушку, якорь с хвостовиком, расположенный между сердечником и упором, возвратный упругий элемент с ограничителем в виде размещенных на хвостовике гаек и зажимы для проволоки (см. описание к патенту РФ 2090325, В23К 9/12, 22.12.97 г.).
Основным недостатком известного механизма является невозможность подачи пучка электродов, а также нестабильность шага подачи из-за меняющегося сопротивления, возникающего при проталкивании электродов через направляющий шланг и мундштук, что приводит к нарушению режима сварки и, в конечном итоге, сказывается на производительности труда и качестве сварного шва.
Известен подающий механизм электродов (а.с. СССР 314610, МПК В35К 9/12), содержащий редуктор, ведущее и нажимное звенья, установленные соответственно на ведущем и нажимном валах редуктора; ведущее звено механизма выполнено в виде ролика, содержащего не менее двух подвижных цилиндрических элементов, например телескопических полумуфт, находящихся во взаимном зацеплении и установленных с возможностью перемещения вдоль оси ведущего вала редуктора, а на соответствующем участке ведущего вала выполнены шлицы, причем нажимное звено выполнено по крайней мере из двух роликов, находящихся в кинематической связи с ведущим звеном.
Этот механизм обеспечивает равномерное обжатие пучка, исключает проскальзывание отдельных проволок за счет применения нажимных роликов в виде сферических канавок, но может обеспечивать только равномерную подачу электродов, а не импульсную.
Известен механизм импульсной подачи сварочной проволоки (патент РФ 2198080 от 01.10.2003), содержащий корпус с сердечником, установленным с возможностью возвратно-поступательного перемещения и фиксации относительно корпуса, электромагнитную катушку, якорь с хвостовиком, расположенный между сердечником и упором, упругий элемент с ограничителем в виде размещенных на хвостовике якоря гаек и зажимы для проволоки, при этом возвратный упругий элемент выполнен в виде толкающей и демпфирующей пружин сжатия, установленных по обе стороны гаек, опирающихся в корпус и упор соответственно, при этом упор выполнен в виде диска и прикреплен к корпусу, а усилие толкающей пружины больше усилия демпфирующей пружины.
Описанный механизм, как наиболее близкий по технической сущности к заявляемому механизму, принят за прототип при составлении заявки.
Недостатком прототипа является низкая производительность сварки (наплавки) из-за невозможности подачи электродной проволоки пучком. Сварочный электрод вводится в центральное отверстие механизма, включая привод. Электрод находится внутри привода и это усложняет процесс регулировки амплитуды и частоты их колебаний, при этом не обеспечивается программное управление в автоматическом режиме из-за отсутствия блока управления и его описания. Применение привода с тиристорным управлением приводит к самопроизвольному открыванию и срабатыванию их от внешних помех в первичной цепи.
Задача - повышение производительности сварки (наплавки) за счет подачи электродной проволоки пучком из нескольких электродов в программно-управляемом режиме.
Поставленная задача достигается тем, что в механизме импульсной подачи пучка электродов, содержащем корпус, сердечник, установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения, электромагнитную катушку, диск-упор, прикрепленный к корпусу, ограничительные гайки, зажимы для электродов шарикового типа и толкающую пружину сжатия, зажимы для электродов шарикового типа выполнены с числом шариков, равным числу электродов, а механизм снабжен блоком управления, крышкой и пластиной с гайкой, при этом электромагнитная катушка расположена в крышке, сердечник, электромагнитная катушка и крышка образуют линейный электромагнитный двигатель (ЛЭМД), который установлен отдельно от зажимов для электродов и подключен к блоку управления, пластина прикреплена к сердечнику, а толкающая пружина сжатия установлена между пластиной, ограничительными гайками и диском-упором. При этом шарики зажимов электродов выполнены с диаметром, который определен из соотношения
ш
э
где α=π/n; n - число электродов; d - диаметр шариков; d - диаметр электродов; D - средний диаметр конической втулки. Блок управления состоит из сетевого фильтра, микроконтроллера, источника питания, оптотиристора с ограничителем скорости нарастания напряжения на его аноде, фиксирующей цепочки, выполненной с возможностью ограничения амплитуды выброса напряжения на аноде оптотиристора, возникающего за счет ЭДС самоиндукции ЛЭМД и размагничивания электромагнитной системы ЛЭМД, индикатора, элемента опторазвязки, оптотиристорного ключа.
Заявляемый механизм характеризуется наличием следующих отличительных признаков:
а) зажимы для электродов выполнены в виде шариков, количество которых равно числу электродов;
б) электромагнитный привод выполнен в виде линейного электромагнитного двигателя (ЛЭМД), расположенного отдельно от зажимов электродов, и связан с одним из них через пластину;
в) диаметр шариков детерминировано связан с диаметром электродов;
г) толкающая пружина сжатия установлена на пластине.
На фиг.1 схематично изображен механизм импульсной подачи пучка электродов, на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1, на фиг.3 - структурная схема блока управления, на фиг.4 - диаграмма работы устройства управления.
Механизм импульсной подачи пучка электродов содержит корпус 1 с сердечником 2, установленным в крышке 3 ЛЭМД с возможностью возвратно-поступательного перемещения. В крышке 3 расположена электромагнитная катушка 4. К сердечнику 2 прикреплена пластина 5 с помощью гайки 6. Механизм снабжен толкающей пружиной сжатия 7, установленной между пластиной 5 и ограничительными гайками 8 и диском-упором 9. Механизм также снабжен зажимами 10 и 11 для пучка электродов 12. Рекомендуемые марки материалов электродов: 1,2Св.08Г2С, 2Нп40Х2Г2М, 3.0ППАН17О. Стрелкой S показано направление движения пучка электродов 12 в зону сопла 13, имеющего токоподводящий наконечник 14. Подвижный зажим 10 и неподвижный 11 выполнены шарикового типа и встроены в конические втулки 15. Шарики 16 расположены в сепараторе 17. Основные геометрические размеры зажимов для плотного стабильного положения электродов приведены на фиг.2 и определяются по формулам
.
ш
э
Здесь d, d - диаметры шариков и электродов в миллиметрах.
ш
э
Если d =2d, n=4 и  получаем:
Ограничителями в виде гаек 8 производится регулирование жесткости пружин 7 и 18. Перемещением сердечника 2 устанавливается шаг подачи пучка электродов 12.
Устройство управления 19 состоит из следующих структурных элементов (см. фиг.3): сетевого фильтра 20, фиксирующей цепочки 21, источника питания 22, ограничителя скорости нарастания напряжения на аноде оптотиристора 23, оптотиристорного ключа 24, драйвера линии управления 25, элемента опторазвязки 26, компаратора 27, синхронизатора 28, таймера 29, генератора импульсов 30, коммутатора 31, клавиатуры 32, процессора 33, индикатора 34 и кнопки ручного пуска SB1. Позицией 3 на рисунке обозначен ЛЭМД. Структурные элементы 25, 27, 28, 29, 30, 31 и 33 физически расположены на кристалле микроконтроллера 35.
Механизм импульсной подачи пучка электродов работает следующим образом.
Пучок электродов 12 сматывается с кассеты (не показан) и вводится в центральное отверстие механизма между шариками 16 до выхода через токоподводящий наконечник 14. После установки режимов сварки включают питание электромагнитной катушки 4, вследствие чего сердечник 2 втягивается в катушку 4, передвигая пластину 5, при этом сжимается пружина 7. В это же время захват 10 свободно скользит по пучку электродов 12, а захват 11 заклинивается и удерживает их. Блок для управления механизмом 19 обесточивает катушку 4 и толкающая пружина 7, распрямляясь, перемещает втулки 15 в сторону сопла 13, при этом захват 10, заклиниваясь, проталкивает пучок электродов 12 в зону сварки. По мере распрямления пружины 7 сжимается пружина 18, из-за чего скорость подачи проволоки к моменту касания каплей металла сварочной ванны уменьшается до минимума, что уменьшает разбрызгивание электродного металла.
После перехода капли металла в сварочную ванну устройство управления 19 включает ЛЭМД и процесс подачи пучка электродов 12 повторяется.
Сетевой фильтр 20 предназначен для снижения проникновения в первичную сеть помех при срабатывании ЛЭМД. Фиксирующая цепочка 21 ограничивает амплитуду выброса напряжения на аноде оптотиристора 23, возникающего за счет ЭДС самоиндукции ЛЭМД, и размагничивает электромагнитную систему ЛЭМД. Ограничитель скорости нарастания напряжения на аноде оптотиристора 23 предотвращает его самопроизвольное срабатывание. Оптотиристррный ключ 24 служит для подачи в определенные моменты времени на ЛЭМД напряжения первичной сети. Источник питания 22 обеспечивает подачу постоянного напряжения +5 В к элементам схемы управления 21, 24, 25, 26, 35. Драйвер линии управления 25 обеспечивает необходимую для надежного срабатывания оптотиристорного ключа величину вытекающего тока. Опторазвязка 26 служит для предварительного формирования из синусоидального напряжения первичной сети импульсов синхронизации, а также для гальванической развязки элементов устройства управления от первичной сети. Компаратор 27 служит для окончательного формирования импульсов синхронизации. Синхронизатор 28 служит для привязки момента срабатывания ЛЭМД к фронту синхроимпульса. Таймер 29 определяет временной сдвиг между фронтом синхроимпульса и временем срабатывания ЛЭМД. Генератор 30 вырабатывает импульсы с заданным периодом следования для запуска работы ЛЭМД в автоматическом режиме. Коммутатор 31 осуществляет переключение режима работы устройства между ручным и автоматическим. Клавиатура 32 позволяет устанавливать необходимый уровень мощности ЛЭМД и период его срабатывания в автоматическом режиме. Процессор 33 управляет работой компонентов устройства по заданному алгоритму и программе. Индикатор 34 отображает текущий режим работы устройства управления, а именно установленный режим работы, заданный уровень мощности, период срабатывания ЛЭМД в автоматическом режиме. Кнопка SB1 служит для запуска ЛЭМД в ручном режиме.
Диаграмма работы устройства управления приведена на фиг.4. Работает устройство следующим образом. Переменное напряжение первичной сети 220 В, 50 Гц (А) поступает на элемент опторазвязки 26, на выходе которого формируются трапецеидальные импульсы ТТЛ-уровня частотой 50 Гц (Б), совпадающие по фазе с положительными полупериодами сетевого напряжения. Эти импульсы поступают на инвертирующий вход компаратора. На его неинвертирующий вход подается опорное напряжение от источника, расположенного на кристалле микроконтроллера. В результате, на выходе компаратора формируются прямоугольные импульсы (В), синхронизированные с сетевым напряжением, по нарастающему фронту которых в служебном регистре микроконтроллера устанавливается соответствующий флаг. При нажатии на кнопку «пуск» и положении коммутатора, соответствующем ручному режиму, на выходе коммутатора формируется отрицательный импульс (Г), падающий фронт которого инициирует работу синхронизатора. Синхронизатор ожидает установки флага переключения компаратора, после чего запускается таймер, обеспечивающий выдержку времени в пределах 10…20 мс. На это время работа компаратора и синхронизатора блокируется. После выдержки заданного интервала времени на выходе драйвера линии управления формируется импульс (Е), включающий оптотиристорный ключ во время действия положительной полуволны сетевого напряжения. При переключении коммутатора в автоматический режим, процессы в устройстве протекают аналогично с той лишь разницей, что источником импульсов запуска служит не кнопка, а генератор, формирующий отрицательные импульсы с заданным периодом повторения (Д).
Для регулировки мощности ЛЭМД используется известный принцип фазоимпульсного управления тиристором. Синхронизатор формирует сигнал запуска таймера в момент спада до уровня, близкого к нулю положительной полуволны сетевого напряжения. Таймер отсчитывает 10 мс для задержки появления управляющего импульса на время действия отрицательной полуволны сетевого напряжения. После этого таймер продолжает выдержку времени в течение 0…10 мс в зависимости от установленного уровня мощности ЛЭМД. Этот период времени определяет задержку появления импульса на выходе драйвера управления оптотиристором относительно начала положительной полуволны сетевого напряжения, а, следовательно, изменяется угол открывания оптотиристора и площадь импульса напряжения на обмотке ЛЭМД (Ж). Следовательно, изменяется и мощность двигателя.
Для установки параметров работы устройства используется 4-х кнопочная клавиатура, позволяющая переключать режим работы устройства управления (ручной/автоматический), устанавливать уровень мощности (закольцовано 0-10-20-30-40-50-60-70-80-90-100-0% мощности), увеличивать или уменьшать период срабатывания ЛЭМД (1-30 секунд). Жидкокристаллический дисплей отображает установленные режимы и параметры работы устройства управления.
Применение блока управления для механизма импульсной подачи электродов с тиристорами и ограничителя скорости нарастания напряжения на аноде оптотиристора исключает ложные срабатывания при наличии внешних помех в первичной цепи.