Senzory pro obloukové svařování - Sensors for arc welding
 | tento článek ne uvést žádný Zdroje. (Leden 2013) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony) |
Senzory pro obloukové svařování jsou zařízení, která - jako součást plně mechanizovaného svařovacího zařízení - jsou schopna získávat informace o poloze a, je-li to možné, o geometrii zamýšleného svaru na obrobku a poskytovat příslušná data ve vhodné formě pro řízení svařovací hořák a pokud je to možné, pro obloukové svařování parametry procesu.
Úvod
Kvalita svaru závisí kromě parametrů svaru, které jsou důležité pro proces svařování (např. Napětí, proud, posuv drátu a rychlost svaru) také hlavně z druhu vstupu procesní energie a použitého přídavného materiálu. Umístění hořáku má přímý vliv na tok materiálu. Vstup tepla pro tavení okrajů součástí a stálý tepelný tok jsou dále přímo spojeny s vedením hořáku a mají podstatný vliv na kvalitu svaru a na výsledný zbytková napětí. U plně mechanizovaného a automatizovaného svařování stíněným plynem nepřesnosti vedení hořáku, manipulace s obrobkem, příprava drážky a tepelné zkreslení přispívají ke změnám polohy hran a geometrie hran. U plně mechanizovaného svařování jsou informace potřebné pro kvalitu svaru detekovány pomocí senzorů. Senzory se používají ke kontrole polohy součásti (detekce začátku a konce svaru), sledování spojů a přizpůsobení parametrů procesu změnám spojů / drážek. Senzory je možné používat online (společně / současně s procesem svařování) nebo offline (v samostatném pracovním kroku před svařováním). Senzory se používají hlavně při online sledování kloubů.
Zásady
Všechny fyzikální principy, které jsou schopné poskytnout informace o poloze objektu, jsou vhodné jako výchozí základ pro funkci senzoru. Okolní podmínky převládající při svařování elektrickým obloukem a také požadavky kladené na plně mechanizovaná zařízení však mají za následek řadu omezení. Obrázek 1 zobrazuje přehled systému. Strategie monitorování senzoru (proces nebo geometrie) byla zvolena jako nadřazené kritérium, další členění je orientováno na princip měření. Další charakteristickou vlastností senzorových systémů je jejich design. Přední senzory jsou tedy poznamenány skutečností, že měřicí bod a spojovací bod nejsou umístěny ve stejné poloze. Proces měření a spojování zde probíhá hlavně postupně. Pro vytváření prohlášení o procesu svařování souvisejících s pozicí vyžadují tyto systémy kalibraci relativní polohy. Pokud se použijí procesně orientované senzory, měřící bod a spojovací bod jsou identické. Všechny principy měření mají společné to, že prostřednictvím vyhodnocení signálu senzoru jsou geometrické informace o kloubu a jeho relativní poloze k měření hlava je k dispozici. Jednotlivé aktivní principy umožňují odlišnou rychlost zpracování pro získání informací.
Orientovaný na geometrii
Senzory orientované na geometrii získávají své signály z geometrie drážky nebo z hrany nebo oblasti, jejíž průběh je v souladu s drážkou.
Hmatové senzory
Elektrické kontaktní senzory pro sledování spojů a / nebo měření obrobku představují jeden typ hmatových senzorů. Senzor vytváří elektrický kontakt s obrobkem, elektricky vodivý do měřicího obvodu senzoru je zahrnut obrobek. Mechanické kontaktní senzory patří do druhé kategorie hmatových senzorů. Vyhodnocuje se mechanické vychýlení snímacího prvku, který přichází do styku s obrobkem.
Elektrické kontaktní senzory
Na základě stanovené strategie vyhledávání snímají systémy elektrického kontaktního senzoru začátek svaru nebo jiné body dráhy kontaktováním obrobku s částmi / součástmi, které byly vystaveny napětí (přímé napětí několik desítek Voltů až 1 KV, v závislosti na materiálu a povrch ) svařovacího zařízení (tryska ochranného plynu, svařovací elektroda To znamená offline měření začátku svaru, polohy dílu nebo geometrie dílu před svařováním. Při znalosti plánované trasy se provede transformace bodů tratě v souladu s naměřenými podmínkami. V tomto případě se během procesu svařování neprovádí nápravné opatření.
Tepelný
Zde se tepelný tok měří dvěma termo páry které jsou uspořádány na svařovacím hořáku, tepelný tok se používá pro boční / boční a výškové ovládání hořáku. Orientace hořáku směrem k drážce je detekována porovnáním teploty senzoru dvou termopárů. Pokud je orientace hořáku symetrická, rozdíl vyzařovaného tepelného toku se rovná nule, stejně tak i teplotní rozdíly termopárů. V závislosti na bočním vychýlení hořáku jsou termopáry vystaveny různým tepelným tokům, deformací oblouku a také změněné poloze taveniny.
Mechanický kontakt
Mechanické kontaktní systémy transformují vychýlení snímacího prvku přímo na elektrické řídicí signály. Jsou rozlišeny následující principy transformátoru:
- mikro spínač
- potenciometr
- optický transformátor (světelné závory apod.)
- indukční transformátor
Vzhledem k požadované vzdálenosti aktivních / přerušovacích bodů v jedné úrovni mají transformátory vybavené mikrospínači v pracovním bodě regulační hysterezi, což má za následek omezenou reprodukovatelnost přesnost. Elektrický posun pracovního bodu není možný. Ostatní výše zmíněné transformátorové systémy (použití optických systémů je z konstrukčních důvodů pravděpodobně omezeno) produkují analogické signály úměrně k vychýlení snímacího prvku a umožňují tak proporcionální sledování svařovací hlavy a také elektrický posun pracovního bodu skrz nadřazená kontrola, např při vícevrstvém svařování. Výstupní signály nejčastěji používaných systémů indukčních měřicích transformátorů jsou mezi 0 a 10 V DC, v závislosti na vychýlení snímacího prvku (obrázek 2).
Okrajové podmínky
Jakékoli zhoršení elektrického kontaktu mezi snímacím prvkem snímače a obrobkem je v případě elektrických kontaktních snímačů problematické, např. svařovací rozstřiky na trysce ochranného plynu, vodním kameni a odvalovací kůži na povrchu obrobku nebo přes konec drátěné elektrody, který se roztavil sféroidně a ulpěl na strusce. Při použití senzorů s mechanickým kontaktem musí být snímací prvky přizpůsobeny příslušné drážce tvary. Tupé svary se čtyřhrannou přípravou na tupý spoj musí mít mezeru v drážce větší než 3 mm; u překrývajících se spojů musí mít horní deska tloušťku větší než 3 mm. Senzor musí být namontován odděleně od svařovacího hořáku. Skenování drážek se tedy provádí hlavně v přední poloze před hořákem. Pokud jsou svary převážně přímé, není toto nastavení žádný problém. Je také možné použít pole skenovacích prvků (např. Posuvná měřítka vidlic nebo oddělené skenovací prvky pro výškové a boční skenování, které umožňují skenování v úrovni hořáku a tím skenování svaru, které je téměř bez chyb. Kromě vedení hořáku podél drážky svaru, lze také použít mechanické kontaktní senzory pro detekci začátku a konce svaru.
Optický
Optické senzory patří do skupiny bezkontaktních měřicích senzorů orientovaných na geometrii (obrázek 1). Pro získání informací je drážka svaru skenována pomocí detektoru záření, který zaznamenává emitované optické záření měřeného objektu. K detekci záření se používají polovodičové obrazové snímače. Principy optického měření jsou rozlišeny na senzory s aktivním strukturovaným osvětlením a bez něj. Pokud není k dispozici žádné aktivní strukturované osvětlení, použije se ke snímání signálu kamera. Kamera sleduje obrobek a extrahuje požadované informace z dvourozměrného půltón obrázek. Aktivní strukturované osvětlení znamená použití světelného zdroje pro definované osvětlení specifikovaných oblastí dílu. Pro následné pořízení lze použít jednotlivé fotografické prvky, čáry nebo pole, v závislosti na jejich designu.
Pracovní režim
U optického měření bez aktivního strukturovaného osvětlení je kamera namířena na oblast svarové drážky a přímo je sledována sledovaná scéna. Používá se například pro Procesy svařování SA abychom svářeči poskytli živou fotografii svarové drážky na monitoru. Víme dva polovodič technologie pro snímání obrazu. The CCD kamera (CCD: Charged Coupled Device) je nejznámější a nejrozšířenější typ kamery, používá se také ve standardních videokamerách. Obrazový snímač CMOS vysoká vstupní dynamika umožňuje, i při hořícím oblouku, zaznamenat použitelný obraz svarové drážky. Metoda optické měřicí techniky s aktivním strukturovaným osvětlením, generovaná hlavně laser s definovaným vlnová délka, se často používá pro automatizaci svařovacích procesů. Rozlišuje se mezi 1, 2 a 3-D měřicími systémy. Protože přímé měření v oblouku není možné, je nutné dodržet definovanou vzdálenost (postup), která závisí na typu a velikosti samotného oblouku.
Pokud se použijí jednorozměrné měřicí systémy, určí se vzdálenost od snímače k povrchu obrobku. To se provádí měřením doby chodu. Další, často používanou metodou je laserová triangulace (obrázek 4).
Vzdálenost obrobku se určuje ze známých rozměrů snímače a z triangulačního úhlu α. Tento typ jednorozměrných optických systémů pro měření vzdálenosti je široce používán v oblasti techniky průmyslové automatizace, a proto je nabízen mnoha společnostmi. V automatizovaném svařování se často používají k detekci polohy dílu nebo drážky před zahájením procesu svařování. Existují různé typy konstrukce dvourozměrných měřicích senzorových systémů. Z 1D triangulačního senzoru lze z oscilačního pohybu odvodit dvourozměrný laserový skener. Zde je geometrie drážky detekována pomocí skenovacího pohybu příčného k drážce (obrázek 5). To se provádí hlavně pomocí pohyblivé zrcadlové jednotky, která je integrována do hlavy snímače.
Alternativně lze provádět oscilační pohyb celé snímací hlavy, to je však považováno pouze za speciální aplikaci jednorozměrného měřicího systému. Výhodou laserového skeneru je, že s rychlostí zpracování lze světelné podmínky přizpůsobit pro každé měření vzdálenosti ve tvaru bodu, které vede k rovnoměrnosti osvětlení. Navíc díky bodovému osvětlení je laserový bod díky koncentrovanému výkonu laseru a také prostřednictvím vhodných optických filtrů ve srovnání s rušivým obloukovým zářením snáze detekovatelný detekčním prvkem. Senzor světelného řezu se vyhne nevýhodě pohyblivé části v hlavě snímače (obrázek 6). Zde není povrch skenován bodově, celá geometrie je navíc zachycena v jednom obrázku. Za tímto účelem se bodový laserový paprsek rozpíná optikou na čáru, která se promítá na povrch obrobku příčně k drážce podle linie skenování skeneru. Laserová čára je v souladu se stejným geometrickým principem triangulace znovu získána s detekčním prvkem, tentokrát však dvojrozměrně. K akvizici lze použít kamery CCD a CMOS s výše uvedenými vlastnostmi.
Jako výstupní signál po předzpracování signálů senzoru laserovým skenerem a senzorem světelného řezu je dosažen tzv. Výškový profil měřené geometrie drážky. Představuje povrch obrobku podél řezu na promítané laserové linii. 3D měřicí systémy s aktivním osvětlením používají hlavně metodu světelného řezu v kombinaci s promítáním několika paralelních laserových linií. Přitom každá čára generuje výškový profil. Uspořádáním několika linií podél svarové drážky je dosaženo dalšího rozměru, který ukazuje změnu výškových profilů geometrie drážky. Počet řádků zvyšuje rozlišení v podélném směru drážky, rostou však i výdaje na zpracování dat. Podobně jako při promítání několika rovnoběžných čar je možné měření promítnutým kruhem nebo jinými geometrickými obrazci na povrch obrobku.
Okrajové podmínky
Všechny optické měřicí metody mají společné to, že určené body drážky musí být transformovány ze souřadnic senzorů kamer do souřadnic stroje nebo obrobku. Za tímto účelem musí být před provedením procesu svařování kalibrovány na zkušebních obrobcích a musí být k dispozici kalibrační matice. Navíc pro použití algoritmů zpracování obrazu musí být předem poskytnuty také informace o profilu drážky. To se provádí pomocí výuky šablon, zadávání geometrických parametrů nebo učení pomocí zkušebních kusů. Komplexnější zpracování obrazu pro systémy snímačů 2 a 3 D vyžaduje pro vyhodnocení obvykle počítačový systém; proto se pro výměnu dat používají komerčně dostupná PC rozhraní, jednotná rozhraní senzorů však dosud neexistují.
Problémy s aplikací
V systémech optických senzorů dochází k problémům v důsledku provozního principu prostřednictvím rozptýleného světla otevřeného oblouku. Proto není přímé měření v pracovním bodě ve většině případů možné, jsou-li použity optické senzory, musí být zachován určitý postup / vzdálenost. Další problémy s procesem pramení ze rozstřiků svaru, které mohou mít negativní vliv na výsledky detekce. Stínící systémy mezi senzorem a hořákem poskytují do jisté míry nápravu. Výjimkou zůstává přímé pozorování oblouku pomocí speciálních kamer pro monitorování procesů. Provoz senzoru před obloukem způsobuje omezenou přístupnost rohů v částech. Aby se tento problém snížil, je nejdůležitější co nejkompaktnější design / struktura a krátká vzdálenost. Předem definovaná orientace snímače navíc omezuje pracovní prostor zařízení robot. Pro bezproblémový provoz optických komponent je třeba se vyvarovat také silnějšího znečištění / znečištění (prach a usazování částic svaru). Léčbu poskytují vyměnitelné ochranné brýle a bezpečnostní clony ve formě clon stlačeného vzduchu. Kvalita povrchu, který má být měřen, má podstatný vliv na výsledek měření. Pokud je povrch silně odrážející, nežádoucí odraz a může dojít k chybnému měření, povrchy bez lesku jsou méně obtížné. Neustále se měnící povrchové kvality také vedou k problémům. Protože optické systémy jsou vybaveny polovodičovými detektory a komplexní elektronikou, je nejdůležitější věnovat pozornost bezpečnému elektromagnetické promítání. To platí pro senzor, jednotku pro zpracování obrazu a jejich propojovací kabely. Senzorové systémy s aktivním laserovým osvětlením reagují obzvláště citlivě na silné výkyvy teploty, protože vlnová délka emitovaného světla použité laserové diody závisí na teplotě laseru. Pokud se mění okolní teplota a tím i vlnová délka aktivního osvětlení, světlo již není schopné proniknout úzkopásmovým optický filtr do fotodetektoru. Proto je nutné odpovídající stínění proti svařovacímu procesu nebo chlazení hlavy senzoru. V závislosti na použitém výkonu laseru je třeba věnovat zvláštní pozornost použití senzorů s aktivním osvětlením. Vlnová délka aplikovaných systémů je často v zorném poli, což znamená zařazení do třídy nebezpečnosti 3A a 3B. Je nutné přísně dodržovat příslušné předpisy pro prevenci úrazů. Při použití optických snímačů je třeba zohlednit následující body:
- zvážení omezení přístupnosti a pracovního prostoru
- stínění proti rušivému světlu vycházejícímu z otevřeného oblouku a rozstřikům svaru
- pozornost musí být věnována odrazovým vlastnostem měřeného povrchu
- musí se zabránit znečištění optických součástí
- je vyžadováno elektromagnetické stínění elektronických součástek
- teplotní výkyvy senzoru musí být kompenzovány
- při práci s laserovým zářením buďte opatrní
Induktivní
Indukční snímače vyhodnotit útlum vysokofrekvenčního elektromagnetického pole, které bylo generováno vířivými proudy v obrobku. Použití typů s jednou cívkou umožňuje boční nebo výškovou korekci. Senzory s více cívkami umožňují korekci ve dvou směrech souřadnic a navíc mají vliv na orientaci svařovacího hořáku.
Kapacitní
Kapacitní senzory změřte kapacitu mezi obrobkem a elektricky vodivou deskou s malými rozměry. Nabízejí možnost měření vzdálenosti v médiích beze změny konstanta dielektricity.
Procesně orientovaný
Procesně orientované senzory získávají své signály z primárních nebo sekundárních procesních parametrů. Obloukové senzory používají primární procesní parametry (svařovací proud a / nebo napětí) jednoho pohybujícího se nebo dvou neoscilovaných oblouků pro generování výškových a bočních / bočních korekčních signálů .Tyto senzory samozřejmě vyžadují také snímatelnou geometrii drážky; měření a spojovací bod jsou však porovnány se senzory orientovanými na geometrii, umístěnými ve stejné poloze.
Oblouk
Stabilní pracovní body při svařování elektrickým obloukem se vyvíjejí jako rozhraní mezi charakteristikou procesu a charakteristikou zdroje energie (obrázek 7). Procesní charakteristika specifikuje spojení mezi stabilním napětím oblouku a příslušnou jmenovitou hodnotou proudu procesu za konstantních okrajových podmínek. Skupiny charakteristik je dosaženo změnou délky oblouku / vzdálenosti hořáku.
Při svařování TIG
TIG svařování patří ke svařovacím procesům s netavící se elektrodou. Proto se procesní charakteristika často označuje jako oblouková charakteristika. Přímá změna pracovní vzdálenosti je kompenzována délkou oblouku. Výsledkem je změna odporu oblouku. Krátké oblouky mají nižší elektrický odpor než dlouhé oblouky. Při svařování TIG se obvykle používají zdroje energie s prudce klesající charakteristikou. Změna délky oblouku proto vede přímo ke změně procesního napětí. Srovnávací měření umožňuje určit vzdálenost od obrobku.
Ve svařování GMA
v GMA svařování, procesní charakteristika v diagramu napěťového proudu je výsledkem interakce elektrických vlastností vyčnívajícího drátu a oblouku. Stabilních pracovních bodů lze v zásadě dosáhnout použitím vhodných charakteristik zdroje energie nebo supernucenými regulačními strategiemi.
V bodě 1 na obrázku 8 je stabilní rovnováha, kde energie, která byla přiváděna do procesu, je dostatečná pro tavení kontinuálně napájené drátové elektrody. V případě rychlé změny vzdálenosti oblouk kompenzuje změnu délky, bod 2. Nižší odpor krátkého oblouku vede ke zvýšení intenzity proudu, což vede k rychlejšímu roztavení vyčnívajícího drátu, dokud opět je dosaženo stabilního pracovního bodu, bod 3. Tento proces kompenzace trvá přibližně mezi 100 a 200 ms. Senzor oblouku vyhodnocuje zbývající změnu intenzity proudu mezi bodem 1 a bodem 3, aby se dosáhlo parametru úměrného vzdálenosti. V zásadě je tento koncept hodnocení použitelný také pro svařování pulzním obloukem. Koncept, který byl specifikován výše, je v případě většiny snímačů oblouku rozšířen o příčné skenování geometrie drážky. Vychýlení procesu na tavné plochy umožňuje srovnávací měření vzdálenosti hořáku. Výpočtem rozdílu hodnot vzdáleností lze vyhodnotit boční umístění hořáku. Střední hodnota obou hodnot vzdálenosti udává výšku hořáku nad drážkou. Pro průhyb se používají různé koncepty (obrázek 9). Mechanická oscilace je nejrozšířenější a často se používá, zejména u robotů. V zásadě platí, že rychlé vychylovací systémy, např. s magnetickým nebo rotačním vychylováním nabízejí zlepšení rychlosti signálu a kvality signálu, je však při použití těchto systémů třeba počítat s vyššími náklady na zařízení. U techniky s dvojitým drátem jsou skenovány obě fúzní plochy současně, každý s jedním drátem.
Okrajové podmínky
Senzory elektrického oblouku vyhodnocují stabilní pracovní body při obloukovém svařování. Variabilní proměnné procesu musí být kompenzovány vhodnými filtračními a vyhodnocovacími strategiemi, které nejsou náchylné k poruchám. V případě současného výškového a bočního řízení je třeba věnovat pozornost skutečnosti, že pro systémy obloukových senzorů, jejichž geometrie umožňuje určování boční polohy srovnávacím měřením fúzních ploch. Svary typu V a koutové svary jsou vhodné bez omezení. Čtvercové tupé svary bez mezery nejsou vhodné pro boční / boční ovládání. Komerčně dostupné senzory oblouku zatím neplatí pro hliník materiály.
Sekundární parametry procesu
Typy senzorů, které pozorují roztavený kal, jsou omezeny v rozsahu jejich použitelnosti tím, že velikost roztaveného kaluži a záření oblouku závisí na geometrických faktorech, např. hustota materiálu nebo složení (legující složky). Optické pozorování oblasti taveniny určuje změny obrysu taveniny. Vychýlení od obrysu, který je definován jako „ideální“, je interpretováno jako nesprávné postavení nebo jako změna chování procesu a je následně kompenzováno.
Spektrální analýza
Spektrální analýza signálů procesu porovnává emisní spektra oblouku nebo roztavené směsi s předpokládanými ideálními hodnotami. Průhyby ukazují na změněné chemické složení nebo na energetické změny procesní zóny.