Повышение уровня механизации и автоматизации оборудования

При рассмотрении сварочных операций различают механизацию и автоматизацию основных и вспомогательных работ. Механизация основных работ, например применительно к дуговой сварке, включает подачу присадочных, защитных и вспомогательных материалов в зону плавления и перемещение сварочного инструмента (или группы инструментов) вдоль линии соединения во время сварки. При автоматизации основных работ (той же дуговой сварки) автоматическое управление выполняет следующие функции: возбуждение дугового процесса с изменением параметров режима от нулевых до заданных значений в начале сварки; стабилизацию параметров режима в течение сварки или заданное их изменение; прекращение дугового процесса при изменении параметров режима от заданных значений до нулевых; корректировку положения сварочного инструмента в процессе сварки в зависимости от случайных отклонений линии соединения свариваемых элементов от расчетного положения; корректировку значений параметров процесса сварки в зависимости от случайных отклонений параметров соединения свариваемых элементов на входе в зону сварки и в зоне сварки, а также параметров получаемого сварного соединения на выходе из зоны сварки (по сравнению с расчетными значениями).

Механизация вспомогательных работ на сварочных станках и установках охватывает загрузку и закрепление заготовок и последующие раскрепление и выгрузку сваренного изделия, перевод сварочного инструмента из исходного положения в точку начала сварки, отвод инструмента из точки окончания сварки в исходное положение, а также перемещение сварочного инструмента между точками или участками сварки.

Автоматизация вспомогательных работ кроме перечисленных выше включает автоматический переход на сварку после выполнения соответствующих вспомогательных операций.

Необходимо отметить, что, поскольку сварочные операции составляют 15 ... 20% общей трудоемкости производства сварных конструкций, сокращение затрат труда на собственно сварочные операции даже на 50% дает сокращение общей трудоемкости изготовления сварного изделия не более чем на 10%. Только комплексная механизация и автоматизация большинства операций и процессов производства сварных конструкций дают существенный экономический эффект.

Комплексная механизация и автоматизация сварочного производства предполагает интеграцию как родственных, так и неродственных технологических процессов, совмещенных в едином комплексе электросварочного оборудования [4, 14]. Примерами совмещения родственных процессов могут служить: контактная стыковая сварка и термообработка термоупрочняемых сталей и сплавов; дуговая сварка под флюсом и наплавка; многоэлектродная контактная точечная или шовная сварка и т. д. Примерами интеграции неродственных технологий являются, например: стыковая сварка со срезкой грата; автоматическая ориентация шва относительно горелки; автоматическая сборка, в том числе с подогревом для плотной посадки деталей; сварка и съем готовых изделий; плазменная резка и автоматическая маркировка заготовок; плазменно-механическая обработка тел вращения и др.
К перспективным направлениям повышения уровня механизации и автоматизации сварочного оборудования следует отнести переналаживаемое сварочное оборудование с интеграцией родственных и неродственных сварке технологических процессов, построенную на агрегатно-модульном принципе с высокой степенью унификации [2, 9, 11, 14].

Высокий уровень автоматизации эффективен, главным образом, в массовом и крупносерийном производстве, охватывающем лишь 15...25% всей продукции машиностроения [4]. Повышение уровня механизации и автоматизации серийного, мелкосерийного, а в некоторых случаях и единичного производства оказывается возможным благодаря концентрации изготовления сварных конструкций на специализированных производственных единицах, таких как участок, цех, на основе применения групповой технологии, а также повышению производственной гибкости средств механизации и автоматизации.

При высоких требованиях к качеству сварных соединений и служебным свойствам изделия необходимо автоматическое управление параметрами процесса сварки в функции целого ряда факторов, из которых многие определяются случайными отклонениями размеров и положения соединяемых элементов объекта сварки. Такое автоматическое управление наиболее эффективно в том случае, когда для выработки управляющих воздействий используется ЭВМ, осуществляющая одновременный контроль большого количества переменных и учет сложных и разнообразных связей между ними.

Для реализации автоматизированных многофункциональных систем управления технологическими процессами, построенных на базе средств вычислительной техники (АСУ ТП), необходимо автоматическое измерение параметров процесса сварки и параметров объекта сварки. Так, для дуговой сварки параметры объекта сварки в общем случае должны измеряться до зоны плавления (положение линии соединения свариваемых элементов, величина зазора между ними или сечение разделки, величина превышения кромок и т. д.), в зоне плавления (глубина проплавления, размеры сварочной ванны, температура и др.) и после зоны плавления (геометрические параметры сварного соединения, наличие и характеристики внешних и внутренних дефектов). В АСУ ТП эта информация обрабатывается с помощью управляющего вычислительного комплекса (УВК) и используется для представления оператору и документирования (режим измерительно-информационной системы), для выдачи рекомендаций по изменению параметров режима сварки (режим советчика оператору) и для автоматического управления технологическим процессом (автоматический режим). Обычно развитие АСУ ТП для новых задач и производственных условий происходит именно в такой последовательности.

Сварочное оборудование считается пригодным для использования в составе АСУ ТП, если оно удовлетворяет следующим требованиям [12]: наличия датчиков параметров процесса и датчиков состояния объекта сварки и оборудования или возможностью размещения таких датчиков без нарушения функционирования и удобства обслуживания сварочного оборудования; пригодностью исполнительных элементов и механизмов сварочного оборудования для использования в качестве исполнительных элементов систем автоматического регулирования и управления (по кинематическим и динамическим характеристикам, жесткости, достижимой точности и т. д.); энергетической и информационной совместимостью выходов (входов) измерительных средств (датчиков) с входами (выходами) управляющего вычислительного комплекса.

Сварочное оборудование, работающее в контуре АСУ ТП, например для другой сварки, должно оснащаться следующими датчиками: скорости подачи электродного (присадочного) материала; наличия и силы сварочного тока; напряжения на дуге; состава и расхода защитных материалов; наличия достаточного запаса основных, защитных и вспомогательных материалов; положения свариваемых элементов и линии их соединения; величин превышения кромок, зазора, сечения разделки, глубины проплавления; температуры изделия; размеров сварочной ванны, положения дуги относительно линии соединения свариваемых элементов; размеров элементов полученного сварного соединения; наличия и количественных характеристик его внешних и внутренних дефектов; положения и скорости звеньев манипуляционной системы.

Для диагностики состояния сварочного оборудования необходимы датчики потребляемой мощности, датчики сил и моментов в кинематических звеньях и др.

Все датчики и другие устройства сварочного оборудования должны быть пригодны для работы в условиях сварочного процесса; характеризуемого, например при дуговой сварке, повышенной запыленностью, загазованностью, близостью к источникам теплового и светового излучения, сильных электромагнитных полей в широком диапазоне частот. Следует отметить, что в настоящее время отсутствуют отработанные технические решения по многим перечисленным датчикам.

Существуют два подхода к автоматизации производственных процессов и операций: 1) автоматизация существующего оборудования в рамках его модернизации; 2) создание оборудования, специально ориентированного на использование определенных методов и технических средств автоматизации. Опыт многих отраслей промышленности и, в первую очередь, станкостроения, показал несомненные преимущества второго подхода.

Кажущиеся простота и экономическая целесообразность первого подхода при его практической реализации оборачиваются множеством переделок и компромиссных технических решений, связанных с тем, что оборудование с ручным управлением часто не обладает теми характеристиками, которые требуются для осуществления автоматического управления. Наиболее часто встречающимися проблемами такого рода являются: отсутствие механизированных приводов или неподходящая их кинематика; зазоры в передачах и направляющих; отсутствие необходимых блокировок и ограничителей, а также четкой кинематической связи между каретками со сварочным аппаратом или инструментом и направляющими (связь осуществляется под действием сил трения); недостаточная стабильность характеристик исполнительных элементов; отсутствие свободного пространства для размещения датчиков и других дополнительных элементов, необходимых для АСУ ТП; ухудшение обзора зоны сварки при доработке для автоматизации; несовместимость входных и выходных сигналов существующих технических средств с теми, которые необходимо дополнительно использовать при автоматизации.

Генеральной линией автоматизации сварки должно быть создание нового высокоавтоматизированного оборудования, ориентированного на современные методы и средства автоматизации. Вместе с тем в отдельных случаях не исключена успешная автоматизация существующего оборудования. В каждом конкретном случае необходимо тщательное изучение условий для принятия обоснованного решения. Анализ потребительского рынка сварочной техники убедительно показывает, что большим спросом наряду со сложной техникой с широкими функциональными возможностями пользуется простое в эксплуатации сварочное оборудование.
В табл. 2.3 приведена классификация оборудования для сварки по классам в зависимости от уровня механизации и категории качества.

При этом в каждом классе возможна аттестация по высшей и первой категориям качества, что позволяет существенно расширить области разработок и производства полуавтоматов, автоматов, источников питания и машин контактной сварки.
Классификационные признаки построены по принципу наращивания уровня механизации и автоматизации оборудования общего назначения, начиная от коробки скоростей в полуавтоматах, автоматах и механических регуляторов в источниках тока до программ неуправляемого оборудования. Такой подход к автоматизации исключает существующие противоречия между экономическими интересами изготовителя, потребителя и реализацией достижений научно-технического прогресса.
2.3. Классы оборудования

Источник: Патон Б.Е. "Машиностроение Энциклопедия т.IV-6. Оборудование для сварки"