CC BY
51
УДК 621.791.75.037-529001.7:629.5.02
Нгуен Доан Кыонг, В. Н. Лубенко
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА СВАРКИ УГЛОВЫХ ШВОВ КРИВЫХ И ГОФРИРОВАННЫ1Х КОНСТРУКЦИЙ СУДНА МОБИЛЬНЫМ СВАРОЧНЫ1М РОБОТОМ
Введение
В судостроении к кривым, гофрированным тавровым конструкциям относятся такие конструкции, как рамные бимсы, флоры, карлинсы и конструкции крепления к наружным обшивкам, такие как холостые наборы к обшивкам, платформам. Кроме того, по типу линии соединения сюда включаются волнистые гофрированные переборки при соединении с дном, платформами или палубами.
Эти конструкции обычно имеют длительные линии соединения, что особенно выгодно при применении роботосварочных аппаратов. В судостроении сварка угловых швов - трудоёмкий процесс, требующий качественного выполнения, поскольку они играют важную роль в сохранении устойчивости корпуса суда.
С целью улучшения процесса сварки, повышения экономической эффективности и защиты человека от вредных веществ при сварке во Вьетнаме с 2006 по 2010 г. по приказу 956/QBBKHCN министра промышленности разрабатывается тема «Исследование, развитие и применение автоматизации и робототехники» [1]. В 2006 г. группа Нгуен Тан Тьена и Фам Ван Тханга успешно применила нечеткий закон управления (или интеллектуальный закон управления -Fuzzy) для создания мобильного двухколесного сварочного робота (МДСР) и управления им [2]. Этот робот был испытан на стыковых швах крупногабаритной секции, но рекомендации по выбору режимов сварки отсутствуют.
Кроме того, эта модель была успешно применена для сварки прямолинейных швов, т. е. швов с большим радиусом кривизны. Результаты показали, что МДСР может контролировать и выполнять угловые швы с допустимым качеством, но когда робот изменяет направление, пусть и не на много, скорость меняется, и шов в этих местах получается неровный и некачественный. Чтобы исправить этот недостаток, в [3] предлагается добавить к входному сигналу скорость в точке сварки (кроме погрешности расстояния от робота до стенки конструкции).
Для того чтобы получить качественные швы, нужно выбирать оптимальные параметры режима сварки и управлять роботом так, чтобы сварочная головка стабильно двигалась по линии соединения.
В [4, 5] предложено первое решение: исследовать методику расчета режимов сварки на основе принципа суперпозиции и на языке программирования Delphi создать программу быстрого расчета параметров сварки для судостроительного металла любой толщины и методику расчета параметров режима двухдуговой сварки в общую сварочную ванну угловых (по площади наплавки или катету) и стыковых (по глубине или площади проплавления) швов за один проход, а также расчетную программу для автоматического определения этих параметров.
Эта программа успешно применяется для сварки толстых листов судовых конструкций встык двухсторонними швами. Результат эксперимента на роботоавтоматическом сварочном комплексе WENZLAFF Астраханского судостроительного производственного объединения (АСПО) подтвержден сертификатами ОТК АСПО.
Ниже предлагается второе решение: используем нечеткий, или интеллектуальный закон управления с регулятором PID. Это позволяет блоку управления управлять движением робота по заданной траектории с постоянным расстоянием и стабильной скоростью. Имитационное моделирование и экспериментальные испытания подтвердил правильность теории.
Постановка задачи
Робот в наших исследованиях имеет один контактный датчик, который измеряет расстояние от робота до свариваемой металлоконструкции. Датчик крепится поперек робота, т. е. перпендикулярно к направлению движения. Для того чтобы оптимально применить интеллектуальный закон управления, поставим датчик так, чтобы его ось совпадала с осью, проходящей через центры двух подвижных колес (рис. 1). Два колеса основные, третье - пассивное, не показанное на схеме. Поворот робота осуществляется за счет разности угловых скоростей двух основных колес.
Рис. 1. Ось датчика и ось, проходящая через центры колес, находятся в одной плоскости, перпендикулярной к роботу: а - робот движется параллельно стене, длина датчика -
это идеальное состояние; Ь - тенденция движения робота - отход от стены (ф > 0), длина датчика > ё0;
с - тенденция движения робота - подход к стене (ф > 0 ), длина датчика > ё0
Если использовать только один датчик расстояния, то по модели на рис. 1 нельзя различить, когда тенденция движения робота - отход от линии сварки (ф > 0) и когда - сближение с линией сварки (ф< 0). Предлагаем более простой вариант для модели робота (рис. 2). Датчик сдвинут на расстояние Н от прежнего положения (рис. 2, а).
Рис. 2. Ось датчика и ось, проходящая через центр колес, параллельны: а - робот движется параллельно стене, длина датчика ё0 - это идеальное состояние; Ь - тенденции движения робота - отход от стены (ф > 0 ), длина датчика > ё0; с - тенденция движения робота - приближение к стене (ф < 0 ); в отличие от варианта на рис 2, Ь угол отклонения между направлением движения и стеной выполняет условие < ё0. Это получается, когда по [3], ф > -2а, где а - угол отклонения между
направлением датчика и направлением центра робота к центру колеса датчика, а = агсБт(Н / Н2 + /^ )
Этот вариант модели робота позволяет определить, когда робот начнет отходить от линии сварки и когда подходить к линии сварки.
Для проектирования комплекса управления составим уравнение связи между угловой скоростью двух ходовых колес (правое и левое) ЮГ№, Ю/№, скоростью V и угловой скоростью центра робота ю:
1/ г Ь/г V
_Щм> _ 1/ г 1 О г 1 К)
Скорость в точке сварки
К = ^1 + ^2, (2)
где уы - скорость центра колеса датчика по направлению к центру робота; V - тангенциальная скорость от вращательного движения вокруг центра робота (рис. 3).
Ki| = V и |vw2| = wl12 + h2 .
Рис. 3. Схема расчета скорости
Определим проекцию скорости сварки Vw на направление линии движения, равную разности между проекциями двух скоростей vwi и vw2 на направление линии сварки:
fl /22 Vw = vwicosj-vw2cos(j + a) = vcosj-wVl + h cos(j+a), (3)
где j - угол отклонения робота от направления стены и a = arcsin(h /^h2 +10) .
Очевидно, что качественный шов получаем только тогда, когда выполняются два следующих условия:
- сохраняется расстояние от робота до стены: df = const;
— сохраняется стабильность скорости в точке сварки: V^ = const.
Принимаем интеллектуальный закон управления Fuzzy (Fuzzy - нечеткий, расплывчатый, размытый).
Входной сигнал системы управления: погрешность расстояния е, его производная de. Выходной сигнал - угловая скорость центра робота. Когда робот начнет отходить от линии сварки (j> 0), нужно управлять роботом так, чтобы он повернул к линии сварки, т. е. w< 0. Аналогично, когда робот начнет сближаться с линией сварки (j < 0), нужно управлять роботом так, чтобы он отходил от линии сварки, т. е. w > 0 .
Определяем значение w, подставим его в (3). Видно, что V^ = const, когда зададим
v = VW + wl cos(j+a) cos j
Чтобы сохранить скорость сварки постоянной, возможны два решения:
- измерим угол j, затем определим скорость центра робота v по формуле (4);
— вместо измерения j непосредственно измерим скорость в точке сварки с помощью контроллера PID, который принимает входной сигнал - нужную, желаемую скорость сварки; выходной сигнал - скорость центра робота; обратная информация - реальная скорость робота в точке сварки.
В этой работе используем второе решение для создания комплекса управления. Эффективность предлагаемого комплекса управления описана ниже.
Создание комплекса управления
Комплекс управления (рис. 4) состоит из двух отдельных контроллеров управления: интеллектуального контроллера управления и контроллера PID (PID измеряет скорость и контролирует ее).
Желаемая
скорость
Желаемое
расстояние
РГО-контроллер
МДСР
-О
Интеллектуальный Ю
du
dt
^.Реальная скорость сварки -►■Реальное расстояние
v
Рис. 4. Схема предлагаемого комплекса управления сварочным роботом
Входной сигнал РГО-контроллера - желаемая скорость сварки, выходной сигнал - скорость центра робота V . Коэффициенты Kp , Ki и КЛ определяются экспериментально [2].
Входной сигнал интеллектуального контроллера управления - погрешность расстояния e, его производная - de; выходной сигнал - угловая скорость центра робота ю.
Функции от входных и выходных сигналов задаются в следующем виде (рис. 5, табл.):
Закон управления
N3 N8 ЯЕ Р8 Р3
N РВ Р8 Р8 N8 т
2 РВ Р8 2Е N8 т
Р РВ Р8 N8 N8 т
N - negative; 2 - 2его; P - ровШуе; ZE - 2его; PB - рові-йуе big; Р8 - ровШуе втаїї; ^ - negative big; N8 - negative втаїї.
de
і 1
N 2его Р
.X X.
-0,5 0 0,5
Ь
Рис. 5. Функции от входных и выходных сигналов: а - погрешность расстояния; Ь - производная погрешности расстояния; с - угловая скорость
с
а
Результат имитационного моделирования и испытаний
Чтобы оценить качество комплекса управления, было проведено имитационное моделирование и испытательная практика в государственной лаборатории во Вьетнаме. На рис. 6 показан сварочный робот и угловой шов приварки шельфа к волнистой гофрированной переборке.
а б
Рис. 6. Сварочный эксперимент: а - сварочный робот; б - кривая траектории сварки: расстояние от робота до колеса: Ь = 105 мм ; радиус колеса г = 25 мм; желаемая скорость сварки V = 7,5 мм/с ; расстояние от робота до стены d0 = 240 мм
На рис. 7 и 8 показана погрешность расстояния и скорость в моделировании и на практике. Комплекс управления хорошо контролирует траекторию сварки с мало изменяющейся скоростью.
Рис. 7. Погрешность расстояния в моделировании (simulation) и на практике (experimental)
Рис. 8. Скорость в моделировании (simulation) и на практике (experimental)
На рис. 9 показаны результаты сравнения двух комплексов управления.
Рис. 9. Сравнение комплексов управления при наличии и без обратной информации о скорости в точке сварки: а - по расстоянию; Ь - по скорости в точке сварки;
Очевидно, что скорость сварки и, следовательно, качество шва с использованием предлагаемого комплекса управления (feedback) намного лучше, чем с использованием предыдущего (no feedback), который описан в [1]; Desired - желательный результат.
Выводы
Результаты моделирования и практики показали:
- с предлагаемым комплексом управления робот может выполнять сварку по любой кривой траектории с достаточно маленькой погрешностью расстояния;
- при наличии обратной информации о скорости сварки и контроллера PID робот может управлять и варить по заданной траектории с любым радиусом кривизны при незначительном изменении скорости.
Экспериментальные исследования подтверждают эффективность предлагаемого комплекса управления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. http://www. most.gov.vn.
2. Nghiên curu ap dung diêu khiên mà trong diêu khiên robot hàn (Исследование возможности применения интеллектуального закона управления для сварочного робота) / Pham Van Thäng, Nguyên Bùi Thanh Thiên, Binh Quang Truàng, Bùi Trong Hiêu, Nguyên Tân Tiên // Hôi nghi Co diên tù lân thù 3, Hà nôi, Viêt nam. -2006. - 10. - Tr. 221-226.
3. Wall-Following Control of a Two-Wheeled Mobile Robot / T. L. Chung, T. H. Bui, T. T. Nguyen, S. B. Kim // KSME International Journal. - 2004. - Vol. 18, N 8. - P. 1288-1296.
4. Нгуен Доан Кыонг, Лубенко В. Н. Расчет параметров режима дуговой сварки толстых листов судовых конструкций встык двухсторонними швами при использовании робототехники и автоматики // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Морская техника и технология. - 2008. - № 5. - С. 69-73.
5. Nguyen Doan Cuong, Bui Ngoc Hai. Phuong Phap cac dinh cac thong sô hàn tôi uu trong qua trinh hàn nôi tiêp tâp và hàn chi tiêt vô, ùng dung công nghê hàn robot trong công nghiêp tàu thûy // Tap chi khoa hoc và hop tac Viêt Nga 2008. Matxcova. - 11. - 2008. Tr. 108-117.
Статья поступила в редакцию 4.02.2009
IMPROVEMENT OF THE PROCESS OF FILLET WELDING
OF BENT AND CORRUGATED SHIP CONSTRUCTIONS WITH MOBILE WELDING ROBOT
Nguyen Doan Cuong, V. N. Lubenco
The control of mobile two-wheeled welding robot made in Vietnam in the process of robotization is investigated. The intellectual principle of control with PID regulator is used to improve the robot control system in curved welding; to refine the welding process of fillet welds; to improve the weld quality. The system model and the control algorithms help to control the displacement of the welding torch in curved trajectory with fixed arc length and stabilized speed.
Key words: welding, mobile two-wheeled welding robot, intellectual control principle, PID regulator, algorithm, curved trajectory, fixed arc length, stabilized speed.
