Программная реализация управления циклом контактной точечной сварки на конденсаторной машине

УДК 621.791.763.2

И. В. Курлович, С. В. Болотов, Т. И. Бендик

ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ЦИКЛОМ КОНТАКТНОЙ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ НА КОНДЕНСАТОРНОЙ МАШИНЕ

UDC 621.791.763.2

I. V. Kurlovich, S. V. Bolotov, T. I. Bendik

PROGRAMMATIC IMPLEMENTATION OF THE CYCLE CONTROL FOR RESISTANCE SPOT WELDING DONE WITH THE CAPACITIVE DISCHARGE WELDING MACHINE

Аннотация

Описан разработанный вариант программной реализации сбора данных о процессе сварки и управления циклом на конденсаторной машине для контактной точечной сварки. Показана целесообразность автоматизации физических исследований процесса образования литого ядра посредством виртуализации проведения измерений и анализа их данных.

Ключевые слова:

контактная точечная сварка, конденсаторная сварка, циклограмма, виртуальный прибор, программное управление.

Abstract

The developed version of the programmatic implementation of data collection and welding cycle control for capacitive discharge welding machine is described. The efficiency of the automation of physical studies of the molten core formation through the virtualization of measurements and resulting data analysis is shown.

Key words:

resistance spot welding, capacitive discharge welding, cyclogram, virtual instrument, programmed control.

Контактная точечная сварка (КТС) является широко известным и распространённым в промышленности способом создания неразъёмных соединений. Наряду с точечными машинами переменного тока, построенными по принципу непосредственного питания от электросети, нашли применение и способы сварки, использующие аккумулированную энергию, среди которых именно конденсаторная сварка выделилась как наиболее эффективная и пригодная к технической реализации [1]. При конденсаторной сварке неразъемное нахлёсточное сварное соединение образуется за счет выделения тепла при

прохождении через зону контактирования свариваемых деталей заранее накопленной в конденсаторах электрической энергии. В сравнении со сваркой на машинах переменного тока, контактная точечная сварка на конденсаторных машинах (КМ) обладает рядом важнейших преимуществ, таких как существенное снижение потребляемой мощности ввиду значительной разности между временем зарядки и разряда ^ конденсаторов (рис. 1, а), возможность точной дозировки энергии, вносимой в зону сварки, и др. В настоящее время наиболее характерной областью применения точечных КМ является соединение

© Курлович И. В., Болотов С. В., Бендик Т. И., 2013

деталей малых толщин и диаметров, материалов с различными физико-химическими свойствами, деталей неравной толщины, материалов, обладающих высокой температуро- и электропроводностью. Соединения малых толщин из

различных материалов, изготавливаемые посредством сварки на КМ, используются во многих отраслях промышленности, таких как атомная энергетика, медицинская техника, авиа- и автомобилестроение и др.

а) Не,

т

Рис. 1. Циклограммы процессов контактной точечной сварки: а - одноимпульсный режим; б - двухим-пульсный режим

Образование сварного соединения при контактной точечной сварке на конденсаторной машине представляет собой сложный электротермодеформа-ционный процесс, обуславливающий параметры плавления, кристаллизации, пластического деформирования металла зоны сварного соединения, что в конечном счете определяет основные технологические и эксплуатационные свойства готового изделия. Вместе с тем зона сварки может оказаться под воздействи-

ем дестабилизирующих факторов, результатом неблагоприятного влияния которых является недопустимое отклонение качества сварного изделия [2]. Дополнительную опасность представляют внутренние дефекты точечного сварного соединения, что связано с отсутствием возможности выявления дефекта посредством визуального осмотра. Применение сплошного неразру-шающего контроля стандартными методами если и имеет место в производст-

венной практике, то является скорее исключением, т. к. нивелирует присущую КТС высокую производительность и низкую стоимость изготовления сварного соединения. Использование выборочного контроля не всегда позволяет выявить все дефектные изделия, а в случае проведения испытаний на поздней стадии изготовления изделий и, соответственно, позднего выявления нарушения технологического цикла возможно возникновение ситуации с массовым браком и значительными материальными потерями. Вместе с тем вопросы снижения себестоимости изготовления изделий, увеличения производительности, повышения надёжности сварных узлов и уменьшения процента дефектных сварных соединений постоянно находятся под пристальным вниманием любого производителя, борющегося за победу в конкурентной борьбе.

Одним из возможных решений может стать использование оборудования для конденсаторной сварки с применением современных средств управления и контроля сварочного цикла. Создание таких систем управления сопряжено с определёнными трудностями: сложным

взаимодействием основных и сопутствующих процессов, протекающих в сварном соединении, кратковременным протеканием сварочного тока, соизмеримым с десятками миллисекунд, и др. Для обеспечения экспериментального исследования различных циклограмм и схем активного контроля точечных сварных соединений целесообразным решением является применение современных микропроцессорных средств, при этом следует максимально использовать возможности программного обеспечения, которое предоставляет гибкость и минимальные сроки при изменении схемы регулирования. Далее будет описано разработанное программное обеспечение, реализующее алгоритм управления циклограммой одновременно с вычислением энергии, выделяемой на участке электрод-электрод.

Виртуальная реализация управления циклом конденсаторной сварки разрабатывалась применительно к машине МТК-1601 и призвана заменить устаревшую аппаратуру управления, реализованную на базе «Логики-Т». Функциональная схема управления КМ МТК-1601 представлена на рис. 2.

Рис. 2. Функциональная схема управления конденсаторной машиной МТК-1601: из - источник зарядки; ШТ - шунтирующий тиристор; ЗТ - зарядный тиристор; РТ - разрядный тиристор; ПС - привод сжатия; КС - клапан сжатия; КПУ - клапан повышенного усилия; КР - клапан разведения электродов; ТС - сварочный трансформатор; ДТ - датчик тока; ВП - виртуальный прибор; АЦП/ЦАП - аналого-цифровой/цифроаналоговый преобразователь; 0...5 - цифровые выходы

В соответствии с аппаратными возможностями машины задание требуемого сварочного цикла обеспечивается определённым сочетанием из шести управляющих импульсов, которые отвечают за работу трёх пневматических клапанов и трёх тиристоров. Тиристоры силовой электрической части отвечают за заряд (ЗТ) батарей конденсаторов от мостового неуправляемого выпрямителя, шунтирование (ШТ) зарядного выпрямителя при достижении требуемого уровня напряжения и разряд (РТ) батареи на первичную обмотку сварочного трансформатора. Пневматические клапаны привода сжатия (ПС) предоставляют возможности по разведению токоведущих электродов (КР), сжатию (КС) свариваемых деталей и приложению повышенного усилия (КПУ) сжатия за счет задействования вспомогательного поршня пневматического привода. Управление всеми перечисленными рабочими органами КМ осуществляется посредством цифровых сигналов аналого-цифрового/цифроана-логового преобразователя (АЦП/ЦАП).

Для программной реализации гибкой системы управления процессом сварки малых толщин на КМ и задания циклограммы её работы были использованы программные средства компании «Нэшнл Инструментс», а именно Lab VIEW 2009 (LV), представляющие собой среду прикладного графического программирования и предназначенные для создания так называемых виртуальных приборов (ВП) - программ, написанных в среде LV. Блок-диаграмма и лицевая панель, являясь основными компонентами виртуального прибора, заключают в себе функции алгоритма программы и пользовательского интерфейса соответственно.

Блок-диаграмма разработанного виртуального прибора для программной реализации управления циклом контактной точечной сварки представлена на рис. 3.

Элементы блок-диаграммы и взаимосвязь данных организованы в со-

ответствии с принципом потока данных в LV (data flow), т. е. данные двигаются от терминала источника данных до принимающего терминала, а узел блок-диаграммы исполняется, только если он получил данные по всем задействованным входным терминалам. Во временной последовательности функционирование представленной блок-диаграммы условно может быть разделено на три основных этапа: предварительная подготовка, алгоритм управления, завершение работы.

Запуск программы начинается с конфигурации аналогового и цифрового ввода-вывода посредством функции DAQmx низкого уровня, которые позволяют достичь наибольшей эффективности исполнения «кода» программы [3]. На этом этапе при помощи DAQmx Create Virtual Channel создаётся три аналоговых виртуальных канала, отвечающих за сбор данных, получаемых от датчиков тока, напряжения и делителя напряжения, и шесть цифровых. Через вкладку «AI» лицевой панели (рис. 4) каждому каналу присваиваются: имя; наименование единиц измерения обрабатываемого сигнала (амперы, вольты и т. д.); верхнее и нижнее ограничение по уровню сигнала; физический канал, задействованный на устройстве сбора данных; схема расположения терминалов.

В соответствии с техническими характеристиками машины МТК-1601 были приняты следующие ограничения по уровню сигналов: ±500 В - для канала, регистрирующего напряжение заряда Uc конденсаторных батарей; от -500 А (для учёта колебательных явлений, проявляющихся во вторичном контуре сварочного трансформатора) до 20 кА - для канала I, отвечающего за фиксацию мгновенных значений силы сварочного трансформатора; ±5 В - для регистрации падения напряжения Ueui на участке электрод-электрод [4]. Кроме того, указываются параметры масштабирования для учёта компенсации делителя напряжения и тарировки датчика тока, которые задействованы в измерениях.

s Ä

0

1

o

TO Ä s

TO

s

o

tri

fcl

0

«

1

fa S PS

ps

M $

PS &

a o

i-i o

s o» o •a

PS

a o

a •a

PS M

H

a a 5

o M

-ë o i a №

ß a

a

PS

1 Expérimental data for RSW

» -C App 5

App.UserName*

|%H.%M.%s1 pdmTj'

Idements in array ilj|

H-

A1

fco

a

s «

£

g

!

«

o ^

o o o s

Se «

o

5

a s

06 S o s

Inj

Ci ^

Oo &

b.

Продолжение рис. 3

Окончание рис. 3

Настройка параметров режима Af DO, Timing

nameto assign nametoassign 2 nameto assign3

Lie I Uel-el

minimum value minimum value 2 minimum value 3

$-500 maximum value maximum value 2 maximum valued

Ji500 physical channels 20000 physical channels 2 il r w. physical! channels3

% Devl/aA X Devl/a ¡0 M | Devi/ail

№

units slope units 2 slope 2 units 3

v) From ^ 50 tj From Custom ^ F vj Volts

Рис. 4. Вкладка настройки аналогового сбора данных

Далее система учитывает настройки, расположенные во вкладке «DO, Timing»» (рис. 5), а именно: перечень и присваиваемые имена шести каналов

цифрового вывода, частоту дискретизации и количество элементов выборки аналогового сбора данных. В результате эксперимента, предшествующего созда-

нию рассматриваемого виртуального прибора, было установлено, что в зависимости от сочетания настроек машины (напряжения заряда рабочей батареи, её ёмкости и коэффициента трансформации сварочного трансформатора) длительность фронта импульса разрядного

тока для данной КМ лежит в пределах 0,5...7 мс. Таким образом, частота дискретизации (rate), установленная на 10 кГц, позволит записать и восстановить фронт импульса с требуемой точностью.

Рис. 5. Конфигурация цифрового вывода

Все отмеченные настройки обеспечивают согласование работы программы с функциональными возможностями внешнего устройства сбора данных и выходных характеристик датчиков, используемых для получения информации о процессе сварки. Они несут вспомогательную функцию и требуют внимания оператора только при первом запуске программы или в случае замены аппаратного обеспечения. Также для первого этапа характерно создание программой файла в формате .tdms для записи результатов измерений, необходимых для последующего анализа; папки для хранения указанного файла; буфера реального времени RT FIFO для предстоящей передачи данных между параллельными циклами.

Второй этап (см. рис. 3) построен по принципу распараллеливания задач и представляет собой сочетание нескольких параллельных тактированных циклов Timed Loop, несущих функцию жесткого ограничения времени выполнения итераций в пределах 1 мс. Все три цикла находятся в непрерывном взаимодействии посредством обмена потоками данных через буфер RT FIFO.

Первый цикл (нумерация сверху вниз) предназначен для сохранения полученных сигналов в ранее созданный файл и содержит двухвариантную структуру Case, функция которой заключается в ограничении записываемого файла в требуемых рамках от начала сварочного импульса до его окончания и, таким образом, исключении из ре-

зультатов эксперимента неинформативных данных. Указанный эффект обеспечивается поступлением логической команды True на терминал селектора структуры одновременно с подачей логической единицы на канал цифрового вывода, отвечающий за управление разрядного тиристора. Записываемые данные типа Waveform представляют собой кластер, состоящий из четырех элементов: дата и время начала ввода данных t0, интервал времени между выборками dx, массив данных Y и свойства. Сигна-

лы сварочного тока и напряжения межэлектродного промежутка, получаемые по соответствующим каналам (см. рис. 2), сохраняются и в дальнейшем используются для построения кривой изменения энергии, выделенной в процессе сварки.

Второй цикл имеет наиболее сложную структуру, а его выполнение более тесно связано с основными настройками, определяемыми средствами ввода данных на лицевой панели (рис. 6).

Рис. 6. Лицевая панель виртуального прибора

Как показано на рис. 6, лицевая панель имитирует реальную физическую панель управления КМ и содержит две основные области: настройка и индикация. Область настройки представлена следующими элементами:

- поднятие и опускание электрода контактной машины («электрод вверх») для оценки состояния рабочей поверхности электродов, соосности их расположения, а также для демонтажа и зачистки электродов в случае необхо-

димости;

- подключение повышенного усилия сжатия;

- настройка напряжения заряда конденсаторных батарей для двух сварочных импульсов в пределах от 0 до 500 В (в соответствии с максимально допустимыми значениями, предусмотренными техническими характеристиками данной КМ);

- установка временных параметров предварительного сжатия тпр.сж, паузы тп и проковки тпрок (см. рис. 1, а);

- запуск сварочного цикла по нажатию на тумблер СВАРКА.

Зона индикации содержит элементы отображения полученных данных о процессе прохождения сварочного цикла. На текущей стадии проведения исследований в целях обеспечения наибольшего быстродействия выполнения операций и снижения требований к ЭВМ большая часть данных, характеризующая процесс сварки, не визуализируется на лицевой панели, а записывается для последующего анализа. Индикация ограничена нижеследующими компонентами:

- отображение наименования выбранной циклограммы работы машины (одно- или двухимпульсный цикл);

- индикация амплитудного значения величины напряжения на конденсаторах, имевшая место перед их разрядом;

- указание величины u текущего напряжения заряда;

- отображение фактических значений предварительного сжатия, паузы и проковки;

- индикация текущих логических команд, сформированных виртуальным прибором для управления циклом сварки (необходима для контроля исполнения программы).

Основную часть второго цикла составляет сочетание структур Case. Как известно, использование структуры Case предполагает выполнение только текущей поддиаграммы (кадра), определяемой селектором [3]. Указанная осо-

бенность позволяет управлять порядком работы программы в зависимости от данных, подаваемых на терминал селектора, что было реализовано посредством одной четырёхвариантной (0...3) структуры Case выбора типа циклограммы и трёх шестивариантных (1.6) структур Case задания амплитудно-временных параметров сварочного цикла. Каждая из шестивариантных структур располагается в последних трёх кадрах структуры выбора циклограммы. Работа поддиаграмм организована таким образом, что условие перехода к следующему или предыдущему кадру вырабатывается либо по команде пользователя, либо в результате операций, выполняемых в теле самого кадра. Во втором случае используется узел обратной связи Feedback Node для перевода значения, определяющего селектор, из одной итерации в другую. Так, к примеру, при указании пользователем отличной от нуля величины каждого из двух напряжений UC1 и UC2, отвечающих за заряд конденсаторных батарей при первом и втором сварочных импульсах, операторы сравнения Not Equal воздействуют на селектор четырёхвариантной структуры и переключают её исполнение в положение 3. На лицевой панели индикатор, информирующий о типе используемой циклограммы, отображает соответствующее сообщение (см. рис. 6). Данные действия приводят к запуску шестивариантной структуры, расположенной в указанном третьем кадре. В первом кадре шестивариантной структуры создаётся начальная точка отсчёта времени выполнения сварочных операций, формируется первичный массив логических команд управления. Условием перехода во второй кадр является нажатие кнопки СВАРКА. В этом кадре обеспечивается заряд и поддержание уровня напряжения на батареях в соответствии со значением UC1. Условие перехода в третий кадр - равенство времени предварительного сжатия деталей и значения, определённого пользовате-

лем на интерфейсной панели. Таким образом, выполняются все кадры структуры, с первого по шестой, после чего Case возвращается в первое положение для сварки следующей точки.

Содержание третьего цикла в некотором смысле схоже с первым. Основное отличие заключается в наличии элемента DAQmx Write, который принимает массив логических данных на терминал Data и передаёт их непосредственно на внешнее устройство сбора данных. Кроме того, Case предназначена для осуществления экстренной остановки работы машины при нажатии кнопки STOP. Под экстренной остановкой понимается подача такого сочетания логических команд управления исполнительными органами машины, которое позволило бы исключить возможность нанесения оператору электрического или механического повреждения, а именно: снятие усилия сжатия с токоведущих электродов и их разведение путём подачи логического нуля на каналы, управляющие основным и вспомогательным поршнем пневматического привода; подача логического нуля на каналы зарядного и разрядного тиристоров.

Переход к третьему этапу выполнения программы инициируется пользователем путём нажатия кнопки STOP, после чего прибор последовательно-осуществляет следующие действия:

- остановка всех циклов;

- остановка задания сбора данных;

- обнуление цифровых выходов устройства сбора данных;

- закрытие файла с результатами экспериментов;

- высвобождение ресурсов компьютера;

- обработка сбоев программы (в случае их наличия).

Разработанные программные средства используются при проведении лабораторных работ по дисциплине «Технология и оборудование сварки давлением» на кафедре «Оборудование и

технология сварочного производства», а также научных исследований применительно к контактной точечной сварке на конденсаторных машинах.

Заключение

1. Несмотря на ряд очевидных преимуществ, присущих контактной точечной сварке на конденсаторных машинах, существуют определённые сложности, связанные с обеспечением качества сварных соединений, что является сдерживающим фактором для более широкого применения данного вида сварки в промышленности. Для решения вопроса дефектности сварных соединений предложено использование разработанной системы управления сварочным циклом конденсаторной сварки.

2. Разработан виртуальный прибор, реализующий сбор данных о процессе сварки и управление циклом сварки на конденсаторной машине МТК-1601, который позволяет: регистрировать кривую изменения энергии, выделенной в процессе пропускания сварочного тока, для получения сведений о качестве сварного соединения; экспериментально апробировать различные циклограммы процесса, в том числе и многоимпульсные, для определения склонности точечных сварных соединений малых толщин к образованию дефектов.

3. Программное обеспечение разрабатывалось для совместной работы с устройством сбора данных N1 и8Б-6251 при замене устаревшей системы управления контактной машины МТК-1601, однако возможность гибкого изменения функционала виртуального прибора позволяет в кратчайшие сроки и с минимальными материальными затратами применить созданные программные средства для управления другими контактными машинами. Кроме того, предусмотрена работа с иными устройствами сбора данных компании N1, требующая лишь указания соответствующих настроек на лицевой панели.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Оборудование для контактной сварки : справ. пособие / Под ред. В. В. Смирнова. - СПб. : Энергоатомиздат, 2000. - 848 с.

2. Березиенко, В. П. Технология сварки давлением / В. П. Березиенко, С. Ф. Мельников, С. М. Фурманов. - Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2009. - 256 с.

3. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе Lab VIEW 7 / Под ред. П. А. Бутырина. - М. : ДМК Пресс, 2005. - 264 с.

4. Белов, А. Б. Конденсаторные машины для контактной сварки / А. Б. Белов. - Л. : Энергоатомиздат, 1984. - 112 с.

Статья сдана в редакцию 4 октября 2013 года

Иван Владимирович Курлович, аспирант, Белорусско-Российский университет. Тел.: +375-259-76-73-92. Е-mail: asd1379@mail.ru.

Сергей Владимирович Болотов, канд. техн. наук, доц., Белорусско-Российский университет. Тел.: +375-296-99-31-56. Е-mail: s.v.bolotov@mail.ru.

Татьяна Ивановна Бендик, канд. техн. наук, доц., Белорусско-Российский университет. Тел.: +375-293-42-76-56. Е-mail: benedikt82@mail.ru.

Ivan Vladimirovich Kurlovich, PhD student, Belarusian-Russian University. Phone: +375-259-76-73-92. Е-mail: asd1379@mail.ru.

Sergey Vladimirovich Bolotov, PhD (Engineering), Associate Prof., Belarusian-Russian University. Phone: +375-296-99-31-56. Е-mail: s.v.bolotov@mail.ru.

Tatiana Ivanovna Bendik, PhD (Engineering), Associate Prof., Belarusian-Russian University. Phone: +375-293-42-76-56. Е-mail: benedikt82@mail.ru.