Траекторные задачи при автоматической и роботизированной сварке

 

М.Шолохов 

Траекторные задачи  
при автоматической  
и роботизированной сварке 

Методы и алгоритмы решения,  
датчики, программно-аппаратные средства 
 
 
 
Под научной редакцией  
Э.А. Гладкова, Р.А. Перковского 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 

УДК 621.791 
ББК 30.61, 30.4, 34.441 
        Ш78 
 
Шолохов, М. А. 
 
Траекторные задачи при автоматической и роботизированной  
сварке. Методы и алгоритмы решения, датчики, программно-аппа-
ратные средства / М.А. Шолохов ; под науч. ред. Э. А. Гладкова, 
Р. А. Перковского. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Бау-
мана, 2015. — 168 с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-4325-3 
Применение новых видов материалов и технологий в сварочном про-
изводстве приводит к повышению требований к качеству сварных кон-
струкций, что, в свою очередь, требует использования новых, более про-
грессивных видов сварочного оборудования и систем контроля, обеспечи-
вающих заданные свойства готовой продукции. 
Приведены новейшие достижения в разработке систем слежения при 
сварке, классификация систем слежения, принципы их работы, область 
применения. 
Издание предназначено для инженерно-технических работников, за-
нимающихся созданием сварочных технологий, комплексов и оборудова-
ния, а также может быть использовано в качестве справочного пособия для 
подготовки специалистов по сварке. 
 
УДК 621.791 
 
ББК 30.61, 30.4, 34.441 

Научное издание 

Шолохов Михаил Александрович 
 
Траекторные задачи при автоматической  
и роботизированной сварке 
 
Методы и алгоритмы решения,  
датчики, программно-аппаратные средства 
 
Оригинал-макет подготовлен в Издательстве МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
В оформлении использованы шрифты Студии Артемия Лебедева. 
 
Подписано в печать 23.11.2015. Формат 60×90/16. Усл. печ. л. 10,5. Тираж 400 экз. 
 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5, стр. 1. 
 
Отпечатано в типографии МГТУ им. Н.Э. Баумана.  
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5, стр. 1. 
 
 
 Шолохов М.А., 2015 
 
 Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-4325-3 
        МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015 

Ш78 

 
Введение 
3 

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие  ..............................................................................................  
4 
 
Введение  ....................................................................................................  
5 
Глава 1. Требования к сварочному оборудованию со следящими 
системами и к точности позиционирования сварочного 
инструмента относительно линии стыка  ...........................................  
9 
Глава 2. Разновидности следящих систем ориентации  
сварочного инструмента и их классификация  ..................................  16 
2.1. Следящие системы с копирными датчиками прямого  
       и непрямого действия  .................................................................  16 
2.2. Системы с копирными датчиками для дуговой наплавки  .......  26 
2.3. Системы непрямого действия с бесконтактными датчиками  ......  30 
2.3.1. Функциональные схемы следящих систем  ......................  30 
2.3.2. Системы с электромагнитными датчиками  .....................  34 
2.3.3. Системы с дуговыми датчиками  ......................................  48 
2.3.4. Системы с оптико-электронными датчиками  .................  92 
Глава 3. Автоматизированные и роботизированные комплексы 
при автоматической сварке  ..................................................................  156 
3.1. Системы технического зрения в роботизированных  
       комплексах  ...................................................................................  156 
3.2. Тенденции развития систем ориентации инструмента  
       относительно стыка в структуре сварочных комплексов  ........  163 
 
Литература  .................................................................................................  166 
 
 

Введение 

 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Разработанные в последние годы методы и оборудование для систем 
автоматического слежения при сварке открывают широкие возможности 
для принятия новых технологических решений при производстве кон-
струкций в машиностроительной и строительной промышленности, сни-
жения доли ручной сварки, а также для построения полностью автоматиче-
ских и роботизированных адаптивных систем. Следует отметить, что ре-
шение приведенных задач невозможно без глубокого знания вопросов о 
видах, типах и областях применения различных следящих систем при про-
изводстве изделий. 
С каждым годом возрастают требования к качеству сварных кон-
струкций в связи с применением новых марок сталей, видов разделок, с 
увеличением диаметров и толщин стенок трубопроводов и сосудов дав-
ления, ростом эксплуатационных параметров рабочей среды, степени 
надежности и т. д. Все это требует применения новых, более сложных 
видов сварочного оборудования и контроля, в том числе систем слеже-
ния, обеспечивающих выполнение заданных требований к готовой кон-
струкции.  
Целью 
настоящей 
книги 
является 
ознакомление 
инженерно-
технических работников с последними достижениями в разработке систем 
слежения при сварке, принципами их работы и областями применения при 
производстве сварных конструкций самого различного назначения. 
Автором сделана попытка провести классификацию различных си-
стем слежения, разрабатываемых и применяемых в настоящее время, 
привести их подробное описание и принципы работы, а также изложить 
области применения (виды разделок, швов, конструкций) для оптималь-
ного выбора типа следящей системы для конкретного производства. 
Книга рассчитана на инженерно-технических работников, занимаю-
щихся созданием сварочных технологий, комплексов и оборудования; 
может быть использована в качестве справочного пособия для подготов-
ки специалистов по сварке. 
Автор выражает глубокую признательность Д.С. Бузориной и А.Ю. Мель-
никову за помощь при подготовке книги к изданию. 
 
 

 
Введение 
5 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ 

Состояние современного сварочного производства характери-
зуется постоянно повышающимися требованиями к качеству свар-
ных соединений и к производительности процесса, удовлетворить 
которые в большинстве случаев удается благодаря внедрению в 
производство автоматических установок или роботов. При этом в 
процессе автоматизации сварки возникают две основные пробле-
мы: управления пространственным положением сварочной голов-
ки относительно стыка кромок свариваемых деталей и управления 
формированием сварного соединения. Таким образом, внедрение 
автоматических комплексов в полной степени невозможно без 
разработки систем управления, оснащенных системами слежения 
за положением сварочного инструмента относительно стыка. Си-
стемы слежения, оборудованные специальными датчиками, обес-
печивают получение в процессе сварки необходимой информации 
для дальнейшей обработки с использованием системы числового 
программного управления (ЧПУ) и управления процессом сварки 
и, следовательно, являются важнейшим элементом системы 
управления в целом. 
Процесс сварки с точки зрения теории автоматического управ-
ления представляет собой технологический процесс, который ха-
рактеризуется совокупностью взаимосвязанных параметров. Услов-
но все параметры могут быть разделены на три группы: 1) энергети-
ческие, характеризующие вклад энергии в процесс образования 
сварного соединения (напряжение и сила тока дуги, мощность источника 
нагрева, температура изделия и т. п.); 2) кинематические, 
характеризующие пространственное перемещение или положение 
источника нагрева относительно изделия (скорость подачи электродной 
проволоки, скорость сварки); 3) технологические, характеризующие 
условия формирования и кристаллизации сварных 
швов, переноса электродного металла (диаметр электрода, форма и 
размеры разделки, зазор между свариваемыми деталями, положение 
шва в пространстве и др.). 

Введение 

Энергетические и кинематические параметры главным образом 
определяются выбранным процессом сварки и физическими свойствами 
материала. При создании автоматических и роботизированных 
установок наибольшее применение находят такие способы 
сварки, как дуговая, лазерная и контактная. Благодаря относительной 
простоте процесса и универсальности наиболее широкое применение 
получила дуговая сварка. Однако автоматизация процесса 
дуговой сварки осложняется наличием большого числа факторов 
(параметров), влияющих на формирование сварного шва и процесс 
сварки в целом.  
Технологические параметры в значительной степени определяют 
возможности и методы управления процессом сварки. Выбор 
метода управления, включая систему слежения, определяется типом 
сварного соединения, формой разделки, пространственным 
положением шва и особенностями технологии.  
Например, стыковые сварные соединения применяют в большинстве 
сварных конструкций. При этом они являются наиболее 
сложными соединениями для отслеживания положения горелки 
относительно стыка. Основной трудностью при слежении за швом 
во время сварки стыковых соединений является нахождение стыка, 
особенно при сварке соединений без разделки кромок и зазора. 
Серьезные проблемы управления процессом при сварке таких соединений 
возникают во время изменения геометрии разделки кромок 
при выполнении шва, требующего варьирования сварочных 
параметров. 
В производственных условиях технологический процесс сварки 
подвержен воздействиям — возмущениям, нарушающим его 
нормальное протекание и приводящим к отклонениям показателей 
качества сварного соединения от требуемых значений. По аналогии 
с классификацией технологических параметров все виды возмущений 
можно разделить также на три группы: 1) технологические (
из-за несовершенства технологии подготовки кромок свариваемой 
заготовки и их сборки; 2) изменения химического состава 
(свариваемого материала, защитного газа), энергетические и кинематические (
вследствие колебания длины дуги и отклонения электрода 
от оси стыка); 3) возмущения в основном сварочном оборудовании (
источнике питания, аппаратуре управления, приводах 
подачи электрода и перемещения изделия).  
Выбор метода и состава технических средств автоматизации 
перемещения сварочного инструмента по линии стыка, включая 

 
Введение 
7 

 

выбор системы слежения за стыком, зависит также от характера  
и объема информации, которая должна обрабатываться при управлении. 
В этом смысле объекты сварочного производства можно 
разделить на две группы: 1) объекты, для которых случайными 
отклонениями линии сопряжения свариваемых элементов можно 
пренебречь; 2) объекты, для которых случайными отклонениями 
пренебречь нельзя. 
Для объектов первой группы траектория движения и величина 
перемещения сварочного инструмента относительно изделия мо-
гут быть заданы один раз для всех экземпляров изделия данного 
наименования. 
Траектория движения может определяться: прямолинейными 
направляющими кареток, тележек, штанг; круговыми направляю-
щими шпинделей, планшайб, рычагов, направляющими сложной 
формы; средствами кинематического программного управления 
(геометрическими аналогами линии соединения) — кулачками, 
шаблонами, копирами; в числовом виде с помощью средств ЧПУ. 
При управлении только величиной перемещений (позиционные 
задачи) программа может быть задана с помощью путевых кулач-
ков или в числовом виде. Перечисленные способы задания траек-
тории движения или точек (положений) могут быть применены 
при сварке жестких изделий небольших размеров с достаточно 
точным изготовлением свариваемых элементов и качественной их 
сборкой, а также нежестких изделий малых и средних размеров с 
использованием точных и жестких сборочно-сварочных приспо-
соблений (кондукторов). 
Для объектов второй группы траектория движения и (или) ве-
личины перемещений не могут быть полностью заданы заранее: 
ими необходимо управлять с учетом фактического положения ли-
нии сопряжения свариваемых элементов, индивидуального для 
каждого экземпляра изделия.  
Для получения требуемого качества сварных соединений (при 
использовании объектов сварочного производства второй группы) 
при действии возмущений необходимо обязательное применение 
систем автоматического управления процессом сварки, оснащен-
ных системами слежения. Основной задачей управления процес-
сом сварки является гарантированное получение сварного шва за-
данных геометрических размеров (ширины и глубины) без дефек-
тов формирования (подрезов, непроплавов, несплавлений и т. д.)  
и внутренних дефектов (пор, шлаковых включений, трещин). 

Введение 

При использовании систем автоматического слежения находят 
применение различные программные средства и системы ЧПУ.  
Программные средства по способу задания и отработки про-
граммы и виду применяемых технических средств делят на кинема-
тические и числовые. Применение простых и наглядных методов и 
средств кинематического управления может быть оптимальным в 
следующих случаях: дуговой сварки в массовом производстве ка-
нистр, овальных цистерн, тройников; сварки балок сложной формы; 
сварки штуцеров; дуговой точечной сварки плоских конструкций 
массового производства. 
Средства числового программного управления перемещениями 
отличаются друг от друга тем, что информация о величинах и тра-
екториях перемещений задается в алфавитно-цифровом виде, а 
переработка этой информации осуществляется с применением ме-
тодов и средств вычислительной техники.  
Таким образом, системы слежения, применяемые в автоматиче-
ских и роботизированных сварочных комплексах, играют ключевую 
роль в построении общих систем управления процессом сварки, а 
их непрерывное развитие является закономерным приближением  
к построению полностью адаптивных сварочных систем. 
 

 
Глава 1. Требования к сварочному оборудованию… 
9 

 

 
Глава 1 

ТРЕБОВАНИЯ К СВАРОЧНОМУ ОБОРУДОВАНИЮ 
СО СЛЕДЯЩИМИ СИСТЕМАМИ И К ТОЧНОСТИ  
ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ СВАРОЧНОГО  
ИНСТРУМЕНТА ОТНОСИТЕЛЬНО ЛИНИИ СТЫКА 

Первым вопросом, возникающим при проектировании систем, 
следящих за стыком, является вопрос о выборе допустимой точно-
сти, с которой система должна отслеживать стык. Выбор этой ве-
личины для каждого конкретного случая сварки зависит от техно-
логически допустимой величины смещения электрода. Последняя 
в значительной степени зависит от электрических и технологиче-
ских параметров режима сварки. В технологической литературе 
приводится влияние изменения электрических параметров сварки 
на ширину b и глубину h провара при стыковой сварке. Эти дан-
ные позволяют получить допустимую величину технологической 
погрешности смещения для конкретного случая сварки, когда из-
вестна форма получаемого провара, с учетом изменения энергети-
ческих и технологических параметров.  
За критерий оценки принята допустимая величина непровара  
в зоне стыка. Схема связи допустимого значения технологической 
погрешности смещения оси стыка от электрода с величиной не-
провара приведена на рис. 1.1, 1.2 для двух вариантов сварки. 
Формула для определения погрешности хдоп смещения оси сты-
ка при односторонней сварке (см. рис. 1.1) имеет вид 

 
доп
0
э
доп
0
э
к
1
,
2
0,5
d
m
p
b
b
x
h
h
h
m


 


 
 

 
(1.1) 

где b0, h0 — номинальные значения ширины шва и глубины проплав-
ления, мм; bэ, hэ — изменения ширины b шва и глубины h провара 

Глава 1. Требования к сварочному оборудованию… 

в зависимости от изменения параметров режима сварки Iсв, Uд, мм; 
d — толщина свариваемых листов, мм; m — допустимый перекос 
кромок, мм; pдоп — допустимая величина непровара в зоне стыка  
(≈10 % от значения глубины h провара), мм; hк — изменение глуби-
ны проплавления в зависимости от изменения зазора в стыке, мм. 

Рис. 1.1. Односторонний сварной шов: 

а — без смещения; б — со смещением 

При отсутствии смещения 
оси шва относительно оси 
стыка d = h + p. 
При смещении оси шва 
OY относительно оси стыка 
OY (рис. 1.1, б) на величину 
хдоп d = h – h + pдоп.  
В 
случае 
двусторонней 
сварки (см. рис. 1.2) формула 
для определения хдоп имеет вид 

 



0
э
доп
0
э
к
1
.
2
2
0,5
b
b
d
m
x
h
h
h
m
 



 
 

 
(1.2) 

Для двустороннего шва  

 
d = h1 + h2 + e,  
(1.3) 

где h1 и h2 — глубина проплавления наружного и внутреннего 
швов, мм; e — величина перекрытия швов в стыке. 
Максимально допустимое смещение осей швов относительно 
стыка ограничивается условием e = 0. 

 

Рис. 1.2. Двусторонний сварной шов 
без смещения 

 
Глава 1. Требования к сварочному оборудованию… 
11 

 

При h1 = h2 = h и b1 = b2 = b получим 

 
доп
1
.
2
2
n
b
d
x
h


 
(1.4) 

Подсчет по формуле (1.2) при сварке под флюсом при силе тока 
Iсв = 400 А, напряжении дуги Uд = 36 В, скорости сварки vсв = 20 м/ч, 
m = 2 мм, d = 8 мм, зазоре в стыке t = 0; n = 1,5; b0 = 2,1 мм; h0 =  
= 6 мм дает хдоп  2 мм. 
Приведенные в литературе данные, связывающие основные 
размеры шва с параметрами сварки в среде защитных газов, поз-
воляют заключить, что допустимая величина смещения электрода 
относительно оси стыка в этом случае должна быть значительно 
меньше, чем при сварке под флюсом. Объясняется это наличием 
при сварке в среде CO2 провара более вытянутой формы. Напри-
мер, при сравнении провара при сварке под флюсом и в среде CO2 
(рис. 1.3) практически для всех токов коэффициент формы шва 
(b/h) при сварке в среде CO2 меньше. Соответственно, одно и то же 
смещение электрода относительно стыка вызовет большее измене-
ние глубины проплавления в зоне стыка при сварке в среде CO2, 
чем при сварке под флюсом (рис. 1.4). Следовательно, технологи-
чески допустимое смещение электрода относительно оси стыка в 
этом случае должно быть меньше. 

 

Рис. 1.3. Формы одностороннего 
шва при сварке под флюсом 
и в среде СО2 без смещения 

Рис. 1.4. Односторонние сварные 
швы со смещением при сварке под 
флюсом и в среде СО2 

При сварке стыкового шва в среде CO2 критерием при опреде-
лении допустимой величины отклонения электрода относительно 
оси стыка можно принять допустимую величину непровара в зоне 
стыка, составляющую 10 % от общей толщины изделия. При таком