Климов А.С., Смирнов И.В. Основы технологии и построения оборудования для контактной сварки

Подождите немного. Документ загружается.

251

Рис. 8.14. Роботизированная автоматическая линия с использованием роботов-

перекладчиков

252

8.4. Перспективы развития роботов для контактной сварки

Применение роботов, комплексных линий, гибких производственных систем

является одним из основных направлений автоматизации точечной контактной

сварки в условиях серийного, крупносерийного и массового многономенклатурного

производства тонколистовых конструкций, особенно в автомобилестроении и про-

изводстве бытовой техники. Анализ состояния робототехники для контактной

сварки за последние годы позволяет

отметить следующие тенденции развития это-

го направления:

- Благодаря быстрому развитию манипуляторов роботов и их системы управ-

ления пятикоординатные универсальные роботы почти полностью вытеснены шес-

тикоординатными, которые обеспечивают большую мобильность сварочному инст-

рументу, необходимую для сварки сложных тонколистовых конструкций автомо-

билестроения. Вместе с этим при сварке плоскостных конструкций бытовой техни-

ки

находят применение специализированные роботы с двумя-тремя подвижностя-

ми, как правило, модульной конструкции, более простые, чем универсальные шес-

тикоординатные, и потому менее дорогие.

- В связи с тем, что время сварки одной точки весьма мало, значительную

роль в повышении производительности робота для контактной точечной сварки

имеет скорость его маршевых перемещений, а

так же ускорение при разгоне и тор-

можении. Поэтому сохраняется тенденция повышения скоростей и ускорений ро-

ботов для точечной контактной сварки. Кроме этого, для снижения динамических

нагрузок в процессе манипулирования все шире применяется оптимизация закона

разгона-торможения с учетом текущей конфигурации робота.

- Вследствие расширения применения в роботах для точечной контактной

сварки вентильного привода с бесколлекторным двигателем и асинхронного глубо-

корегулируемого привода следует ожидать скорейшего полного отказа от пневмо-

и гидроприводов.

- Развитие систем управления роботами происходит в направлении упроще-

ния программирования, диагностики и устранения сбоев и отказов. Развиваются

системы внешнего программирования, позволяющие сократить время простоя ро-

ботов при переходе на новые

изделия и повысить безопасность работы.

- Методы и средства геометрической адаптации роботов для контактной то-

чечной сварки менее развиты по сравнению с методами и средствами роботов для

дуговой сварки, так как точность подготовки и сборки тонколистовых конструкций

достаточно высока, а допустимые отклонения места простановки сварной точки от

запрограммированного может быть достаточно

высокой по сравнению с дуговой

сваркой. Поэтому дальнейшего повышения точности позиционирования роботов

для контактной сварки в ближайшее время не требуется.

- Нуждаются в совершенствовании вспомогательные устройства, обеспечи-

вающие работу роботов без обслуживания в течение длительного времени (одну-

две смены): устройство автоматической смены инструмента, автоматической зачи-

стки электродов и другие, повышающие степень

автоматизации и гибкость техно-

логического оборудования.

253

- В области практического применения роботов для контактной сварки следу-

ет ожидать:

а) дальнейшей концентрации роботов при сварке одного изделия на одной

позиции в том числе и за счёт использования механизмов глобального перемеще-

ния, что увеличивает производительность рабочего места и сокращает потребность

в производственных площадях;

б) повышения производственной гибкости робототехнологических комплек-

сов, роботизированных линий и гибких производственных систем вплоть до обес-

печения сварки различных модификаций сварных конструкций в произвольном по-

рядке без вмешательства рабочих;

в) более комплексной автоматизации и роботизации производства сварных

конструкций, включая сборочные, контрольные, транспортные, складские опера-

ции, нанесение покрытий и т.д.

Контрольные вопросы к главе 8

1. Каковы

причины перехода мирового производителя автомобилей на использова-

ние промышленных роботов для контактной сварки?

2. Как классифицируются роботы для контактной сварки по ГОСТ 26054-85 «Робо-

ты промышленные для контактной сварки. Общие технические условия»?

3. Как устроен, какие имеет преимущества, недостатки и область применения ПР

для контактной сварки со встроенным в исполнительное устройство промышленно-

го робота источником сварочного тока?

4. Как устроен, какие имеет преимущества, недостатки и область применения ПР

для контактной сварки со встроенным в рабочий орган промышленного робота ис-

точником сварочного тока?

5. Как устроен, какие имеет преимущества и недостатки роботизированный техно-

логический комплекс для контактной точечной сварки с использованием манипуля-

тора робота в

качестве позиционера?

6. Какой состав и принцип работы роботизированного технологического комплекса

для контактной сварки с одним сварочным роботом и поворотного стола?

7. Как строятся роботизированные автоматические линии для контактной сварки с

использованием роботов-перекладчиков?

8. Какие изменения конструкции ПР и РТК для контактной сварки ожидаются в

ближайшем будущем?

254

ГЛАВА 9. КОНТАКТНАЯ СВАРКА НА МАШИНАХ ПОСТОЯННОГО

ТОКА, КОНДЕНСАТОРНЫХ МАШИНАХ И МАШИНАХ С ТОКОМ

ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТЫ

9.1. Основные особенности контактных сварочных

машин постоянного тока

Использование для контактной сварки постоянного (выпрямленного) тока

повышает технические характеристики оборудования, расширяет его

технологические возможности, повышает производительность работы и

качество соединений.

В машинах для точечной и шовной

сварки размеры элементов сварочного

контура, подводящих ток к свариваемым деталям, определяются габаритами и

формой свариваемых узлов и значением необходимого сварочного тока.

Соотношение размеров токоведущих элементов, а также расположение их в

непосредственной близости к массивным стальным деталям, воспринимающим

сварочные усилия, приводят к тому, что сварочный контур большинства машин

представляет собой электрическую

цепь, индуктивное сопротивление которой

на переменном токе промышленной частоты в 5…10 раз и более превышает ее

активное сопротивление. Это превышение тем больше, чем больше вылет

электродов и раствор сварочного контура. Так, в серийно выпускаемой машине

переменного тока МТ-4017, имеющей вылет электродов 500 мм, индуктивное

сопротивление сварочного контура составляет 260⋅10

-6

Ом. Из 9,3 В вторичного

напряжения на номинальной ступени включения трансформатора 8,3 В тратится

на преодоление этого сопротивления. Поэтому потребляемая мощность при

токе 32 кА составляет 300 кВА. В машине постоянного тока МТБ-4801,

имеющей тот же вылет электродов и раствор, сопротивление сварочного

контура постоянному току составляет 30⋅10

-6

Ом. Падение напряжения на этой

нагрузке при токе 32 кА равно всего 1 В.

В машине переменного тока МТ-2102 с вылетом электродов 1200 мм

потери напряжения в сварочном контуре при токе 20 кА составляют 7,8 В, в то

время как в машине постоянного тока МТВ-4802 с такими же размерами

сварочного контура потери напряжения в нем при токе 20 кА равны 0,6 В. Это

обстоятельство обусловливает энергетическую целесообразность питания

сварочного контура машин постоянным током. Использование для получения

постоянного тока трехфазных выпрямителей позволяет наряду с уменьшением

потребляемой мощности равномерно загрузить три фазы питающей сети.

Кроме энергетических преимуществ, машины постоянного тока обладают

рядом других достоинств, расширяющих область их эффективного

использования. Технологические особенности их определяются прежде всего

формой кривой сварочного тока. Выбор трехфазного или шестифазного

выпрямления с учетом сглаживающего действия индуктивности сварочного

контура позволяет получить кривую сварочного тока плавной формы с малой

глубиной пульсаций при неограниченной длительности импульса тока. Это

255

обеспечивает непрерывный нагрев деталей и дает возможность за время сварки

ввести в соединение необходимую энергию без существенных пульсаций

выделяющейся в свариваемых деталях мощности. В результате возможно

получение максимального размера сварного соединения и соответствующей его

прочности без выплеска металла при сварке деталей из металлов и сплавов,

имеющих узкую зону свариваемости, например жаропрочных. Это преиму-

щество проявляется особенно сильно при уменьшении толщины свариваемых

деталей, а также при сварке разнотолщинных деталей, плохо прилегающих

деталей, при ограниченных размерах нахлестки и в других случаях. Повышение

устойчивости к выплескам позволяет производить сварку с уменьшенным

сварочным усилием, что важно в ряде случаев при необходимости использования

фигурных электродов.

Вследствие уменьшения влияния поверхностного эффекта при прохождении

постоянного тока по электродам и деталям в зоне сварки сварочный ток более

равномерно распределяется по площади контактов электродов со свариваемыми

деталями и меньше вытесняется на периферию зоны сварки. Благодаря этому

уменьшается действующий ток, необходимый для сварки тех же деталей, что и

на переменном токе, и уменьшается зона термического влияния. Вместо

уменьшения действующего тока возможно уменьшение времени сварки.

Указанные обстоятельства в сочетании с отсутствием пиков

выделяющейся мощности снижают нагрев контактных поверхностей электродов

и повышают их стойкость, что особенно заметно при высоких удельных нагрузках

на электроды. Эти же обстоятельства повышают стойкость электродов при

сварке деталей с легкоплавкими покрытиями. Одновременно уменьшается

степень повреждения покрытия под электродами.

При рельефной сварке практически невозможно обеспечить одинаковые

индуктивные сопротивления для токов, проходящих через все одновременно

свариваемые рельефы. В связи с этим постоянный ток более равномерно, чем

переменный, распределяется между рельефами, особенно при значительном

расстоянии между ними, что повышает качество сварки и позволяет получить

стабильные соединения при уменьшенных размерах нахлестки, например при

сварке сепараторов шарикоподшипников.

При шовной сварке постоянным током отсутствие пиков мощности и более

равномерное, чем при переменном токе, распределение сварочного тока по

площади контакта электродов с деталями уменьшают нагрев поверхностей

деталей и позволяют получить большую скорость сварки. При скоростной

рельефно-роликовой сварке, шовной сварке с раздавливанием кромок и при

шовно-стыковой сварке труб применение постоянного тока обеспечивает

равномерный нагрев кромок и высокое качество сварки. Так, при шовно-

стыковой сварке труб диаметром 20…30 мм с толщиной стенки 1…1,5 мм можно

получить скорость сварки до 100 м/мин. Качество шва при этом удовлетворяет

самым высоким требованиям как по прочности и герметичности соединения, так и

по равномерности и незначительным размерам внутреннего грата.

Постоянный сварочный ток мало изменяется при изменении

индуктивности сварочного контура машины за счет внесения в контур

256

массивных ферромагнитных деталей, а также при сварке обечаек, охватывающих

один из кронштейнов машины. Это обеспечивает стабильное качество сварки

обечаек по всей их длине и крупногабаритных изделий при различных

положениях их относительно сварочного контура, исключает влияние на

качество сварки перемещения вблизи токоподводов сварочного контура раз-

личных кондукторов, тележек и других устройств механизации позиционирования

свариваемых изделий в специализированных и многоэлектродных машинах.

Стабилизация сварочного тока и качества сварки обеспечивается и в спе-

циализированных машинах, где электроды перемещаются относительно

свариваемого изделия, изменяя конфигурацию сварочного контура. При этом

индуктивность контура изменяется, а активное сопротивление легко может

поддерживаться неизменным за счет соответствующего выполнения

токоподводов, что обеспечивает стабилизацию сварочного постоянного тока и

качества сварки.

Применение постоянного тока позволяет в ряде случаев улучшить

условия и качество точечной сварки за счет уменьшения шунтирования при

одностороннем подводе тока. Благодаря малому росту потребляемой

мощности при увеличении размеров сварочного контура одновременно ра-

ботающие два электрода, подключенные к разным полюсам источника

постоянного тока, могут располагаться на большом расстоянии друг от друга.

Например, при приварке набора элементов жесткости к обшивке эти электроды

осуществляют сварку разных элементов жесткости, а со стороны обшивки

устанавливаются электроды, соединенные между собой. Такая схема

односторонней сварки почти устраняет шунтирование тока, повышает качество

сварки, а также уменьшает вмятины от электродов на обшивке.

Возможность удаления источника постоянного тока от электродных

устройств позволяет уменьшить в ряде случаев общую компоновку

специализированных машин, так как освобождается пространство для

различных приспособлений, облегчаются условия переналадки электродной

оснастки, загрузки и съема деталей. Уменьшение влияния при сварке на

постоянном токе поверхностного эффекта приводит к уменьшению активного

сопротивления, а следовательно, и нагрева токоведущих элементов вторичного

контура машин, при этом уменьшается нагрев электродных устройств со

скользящими контактами в шовных машинах, что повышает надежность их

работы и позволяет увеличить токовые нагрузки. Уменьшается нагрев

электродных устройств и приспособлений, расположенных в непосред-

ственной близости от токоведущих элементов, что создает условия для выбора

оптимальных конструкций и расположения электродных устройств для

рельефной сварки и вспомогательных приспособлений в машинах с механиза-

цией перемещения изделий.

При питании постоянным током подвесных клещей многократно

снижаются пульсирующие электродинамические усилия, действующие на

отдельные проводники гибкого вторичного кабеля. Благодаря этому

существенно повышается стойкость кабеля, особенно при использовании двух

отдельных кабелей. Отпадает необходимость стягивания кабелей между собой,

257

что облегчает их прокладку по механизмам манипулятора при механизации

перемещения клещей. Вылет электродов и раствор клещей могут быть сделаны

достаточно большими при очень малом увеличении потребляемой мощности.

При сварке одноэлектродным пистолетом может быть обеспечена стабильность

сварочного

тока при сварке в любой точке изделия, имеющего большие

размеры.

9.2. Электрические силовые схемы источников постоянного тока для

контактной сварки

Электрические нагрузочные характеристики машин постоянного тока

определяются главным образом параметрами применяемых силовых диодов,

схемой и конструкцией используемого выпрямителя. В связи с отсутствием

силовых тиристоров на токи в десятки тысяч ампер, необходимые для

контактной сварки, и очень низкими напряжениями, затрудняющими

параллельное включение тиристоров, функции выпрямления сварочного тока

и управления им в контактных машинах постоянного тока делятся между

двумя группами силовых полупроводниковых приборов. Выпрямление тока

осуществляется группами параллельно включенных диодов на стороне

вторичной обмотки понижающего (сварочного) трансформатора, а управление

током осуществляется тиристорами, включенными последовательно с

первичными обмотками того же трансформатора. Падение напряжения на

полупроводниковых кремниевых диодах, используемых для выпрямления

тока, соизмеримо с выпрямленным напряжением. В этих условиях нецелесо-

образно применять мостовые схемы выпрямления и любые другие с

последовательным соединением диодов. Оптимальными для условий

контактной сварки являются схемы выпрямителей с нулевым выводом, не

имеющие последовательно соединенных диодов, благодаря чему обеспечива-

ется минимальный расход диодов и потери на них.

Наиболее простым является однофазный двухполупериодный

выпрямитель с нулевой точкой (рис. 9.1). Последовательно с первичной

обмоткой сварочного трансформатора

Т1М

включается тиристорный

контактор

VS1-VS2

, применяемый в однофазных машинах переменного тока, с

соответствующей аппаратурой управления, что также упрощает однофазные

машины постоянного тока. Выпрямление тока происходит во вторичном

контуре посредством тиристоров

VD1-VD2

. Серьезными недостатками одно-

фазного выпрямителя являются неравномерная загрузка трехфазной питающей

сети и большие пульсации сварочного тока. В связи с этим он не нашел

применения в отече

ственных машинах постоянного тока, хотя некоторые зару-

бежные фирмы выпускают машины с однофазным выпрямителем на базе

машин переменного тока.

258

Рис. 9.1. Схема управляемого однофазного двухполупериодного выпрямителя

Мощность питающего трансформатора при такой схеме должна быть в

раза больше мощности, выделяемой в сварочном контуре. В качестве

примера можно привести однофазную машину постоянного тока,

выполненную на базе машины переменного тока типа МТП-150/1200,

имеющей вылет электродов 1200 мм. При сварке деталей из алюминиевых

сплавов током 40 кА машина потребляет из питающей сети ток 900 А, что

способствует однофазной мощности 340 кВА и мощности питающего

трехфазного трансформатора 600 кВА.

Простейшим трехфазным выпрямителем является выпрямитель с тремя

тиристорами, включенными последовательно с первичными обмотками

трехфазного сварочного трансформатора (рис. 9.2). В этом выпрямителе

тиристоры подводят к первичным фазным обмоткам трансформатора только

те полуволны напряжения, которые выпрямляются диодами, подключенными

к его вторичным обмоткам. Перемагничивание каждого стержня

магнитопровода трансформатора осуществляется за счет работы обмоток

других фаз, а также вследствие задержки выключения тиристора после

изменения знака напряжения, подводимого им к обмотке, до спада

намагничивающего тока. При небольших индукциях в магнитопроводе

трансформатора, когда он может быть принят симметричным, магнитный

поток в стержнях при установившемся режиме и полнофазном выпрямлении

близок к синусоидальному, несмотря на униполярный характер

намагничивающих токов. Поэтому полуволна намагничивающего тока,

проходящего по каждой обмотке, сдвинута на 90° по отношению к

соответствующему линейному напряжению. На столько же градусов

задерживается выключение каждого тиристора после изменения знака

напряжения, подводимого им к обмотке трансформатора. В результате этого

каждый тиристор при полнофазной работе выпрямителя включен в интервале

не 120°+

, где

- угол коммутации нагрузочной составляющей тока фазами

выпрямителя, а 240

259

Рис. 9.2. Схема управляемого трёхфазного однополупериодного выпрямителя

Таким образом, при полнофазной работе выпрямителя на стороне

первичной обмотки трансформатора включены всегда два тиристора,

подключающие к сети две фазные обмотки трансформатора. При этом в

первичной обмотке третьей фазы находится ЭДС, равная линейному напряже-

нию третьей фазы, в результате чего напряжение на третьем тиристоре близко

к нулю. В момент выключения тиристора, проводящего намагничивающий

ток, на третьем тиристоре появляется положительное напряжение. Момент

появления напряжения соответствует моменту включения тиристора при

полнофазной работе. В рассматриваемом выпрямителе весьма благоприятные

условия работы тиристоров. Обратное напряжение, прикладываемое к

тиристору после его выключения, складывается из соответствующих

напряжения сети и ЭДС в обмотке трансформатора, индуктируемой при

уменьшении магнитного потока в стержне и направленной навстречу на-

пряжению сети. Поэтому обратное напряжение нарастает не скачком, а

плавно, что снижает требования к тиристору.

Благодаря простоте и надежности трехфазный однополупериодный

выпрямитель в первую очередь нашел применение в отечественном

оборудовании для контактной сварки. На его базе разработаны и выпускаются

более 10 типоразмеров машин для точечной и шовной сварки. Изготовлен

также ряд индивидуальных машин.

По энергетическим показателям и пульсациям сварочного тока

трехфазный выпрямитель уступает шестифазным нулевым выпрямителям,

схема которого приведена на рис. 9.3.

260

Рис. 9.3. Схема шестифазного управляемого выпрямителя

Решающее влияние на энергетические характеристики машин

постоянного тока кроме схемы выпрямителя оказывают параметры

применяемых диодов и конструктивное выполнение фазных цепей,

определяющее их активное и индуктивное сопротивления. В связи с низкими

напряжениями во вторичном контуре, не превышающими в большинстве

машин постоянного тока 10 В, главные требования к применяемым диодам

заключаются в максимальных пропускаемых токах и минимальном прямом

падении напряжения. Наибольший из выпускаемых в настоящее время

общепромышленных кремниевых диодов типа В-800 при водяном охлаждении

выдерживает максимальный средний ток 1250 А и прямое падение напряжения

более 2 В при амплитуде тока 4000 А. В связи с малым средним током и

большими потерями диода В-800 для применения в контактных машинах был

освоен выпуск специального низковольтного диода Д 143-2000 на средний ток

2000 А и прямое падение напряжения менее 1,4 В при амплитуде тока 6000 А.

Однако пропускаемый диодом максимальный ток 6...10 кА мал для

большинства машин. Поэтому в каждую фазу выпрямителя включается

несколько диодов Д143-2000 параллельно. Для обеспечения равномерного

распределения тока между параллельно работающими диодами производится

подбор их по прямому падению напряжения и установка группы параллельно

работающих диодов на групповой водяной охладитель.

Разработан и выпускается малыми партиями более мощный

низковольтный диод на средний ток 4000 А типа Д 253-4000 с амплитудой

прямого падения напряжения не более 1,4 В при амплитуде тока 12500 А.

Применение этого диода в источнике, выполненном по шестифазной схеме,

позволяет за счет уменьшения необходимого числа диодов в фазе выпрямителя

исключить их прямое параллельное включение без уравнивающих устройств.

Диоды имеют низкое динамическое сопротивление в диапазоне 25…40 мкОм и

при времени включения выпрямителя 0,2 с могут нагружаться током с