CH668729A5

CH668729A5 - Steuereinrichtung fuer eine widerstandsabbrennstumpfschweissmaschine.

Info

Publication number: CH668729A5
Application number: CH208/86A
Authority: CH
Inventors: Sergei Ivanovic Kuchukyatsenko; Valery Georgievich Krivenko; Alexei Ivanovich Gorishnyakov; Mikhail Vladimirovich Bogorsky; Ivan Leontievich Lazebny
Original assignee: Inst Elektroswarki Patona
Priority date: 1984-05-18
Filing date: 1984-05-18
Publication date: 1989-01-31
Also published as: GB2169533B; WO1985005305A1; GB2169533A; GB8531531D0; DE3490709T1; US4686346A; DE3490709C2

Description

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PATENTANSPRUCH Steuereinrichtung für eine Widerstandsabbrennstumpf-schweissmaschine mit einem Schweisstransformator (1), in dessen Primärkreis ein Geber (7) für die elektrischen Kennwerte des Schweissvorganges eingeschaltet ist, der über eine Steuereinheit (12) mit einem elektrohydraulischen Antrieb (30) für die Verschiebung der beweglichen Maschinenplatte (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) des Antriebs (30) zwei Eingangsverstärker (14, 15) aufweist, bei denen die einen Eingänge mit dem Ausgang des Gebers verbunden sind, der als Schweissstromgeber (7) ausgebildet ist, während die anderen Eingänge der Eingangsverstärker (14,15) an eine Sollspannungsquelle (13) angeschlossen sind, wobei der Ausgang jedes der Eingangsverstärker (14,15) über einen Transistor (21,22) und einen Spannungsteiler (23,25; 24,26) an den Eingang eines Operationsverstärkers (29) angeschlossen ist, dessen Ausgang an den Eingang des elektrohydraulischen Antriebs (30) zur Verschiebung der beweglichen Maschinenplatte (2) angeschlossen ist, wobei in den Primärkreis des Schweisstransformators (1) eine Einheit (6) zur Konstanthaltung der Schweissspan-nung eingeschaltet ist, deren Steuereingang an die Sekundärwicklung des Schweisstransformators (1) angeschlossen ist.

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuereinrichtung für eine Widerstandsabbrennstumpfschweissma-schine gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Gegenwärtig besteht die Hauptaufgabe beim Schweissen in der Erhöhung der Arbeitsproduktivität und diese kann durch eine Verkürzung der Schweisszeit, d.h. durch eine intensivere Erwärmung in einem kürzeren Schweisszeitraum erreicht werden, wodurch im Ergebnis eine desto grössere Metalleinsparung erzielt wird, je grösser der Querschnitt der zu verschweissenden Werkstücke ist.

Bekannt ist eine Einrichtung für die Steuerung der Bewegungsgeschwindigkeit der zu verschweissenden Werkstücke beim Widerstandsabbrennstumpfschweissen gemäss der US-PS Nr. 3 335 257, welche einen Hydraulikzylinder, durch den die relative Verschiebung der zu verschweissenden Werkstücke sichergestellt wird, ein hydraulisches Folgeschaltventil, das den Hydraulikzylinder steuert und aus einem Gehäuse und einer federbelasteten Stange besteht, ein Getriebe, das auf die Stange des hydraulischen Folgeschaltventils einwirkt, einen Gleichstrommotor, durch den die Näherungsgeschwindigkeit der zu verschweissenden Werkstük-ke bestimmt wird, sowie eine elektrische Einheit für die Steuerung der Drehgeschwindigkeit des Motors enthält. Die Steuereinheit enthält eine Amplidyne, deren Steuerwicklung an eine Sollspannungsquelle (die Näherungsgeschwindigkeit der zu verschweissenden Werkstücke wird vorgegeben) angeschlossen ist. Die gleiche Steuerwicklung der Amplidyne ist an einen Schweissstromgeber angeschlossen. Bei einer Überschreitung des vorgegebenen Schweissstrombezugspegels fliesst durch die Steuerwicklung ein Strom, der eine algebraische Summe des Sollsignals und jenes Teils des Rückkopplungssignals darstellt, der den vorgegebenen Bezugspegel überschreitet.

Dadurch, dass die Einrichtung ein mechanisch gesteuertes hydraulisches Schaltventil sowie ein Getriebe mit unvermeidlichen Spielräumen im Triebwerk enthält, ist die Schnellwirkung der genannten Einrichtung ziemlich begrenzt. In den mit einer derartigen Einrichtung bestückten Stumpfschweissmaschine wird der Umkehrbefehl erst nach 0,7 bis 1 s ausgeführt. Durch diesen Umstand wird eine operative Steuerung des Schweissvorganges verhindert, was besonders beim Schweissen von kompakten Werkstücken mit einem grossen Querschnitt sowie von dickwandigen Werkstücken von Bedeutung ist.

Bekannt ist ferner eine Steuereinrichtung für eine Wider-standsabbrennstumpfschweissmaschine gemäss der US-PS Nr. 3 555 237, die einen Schweisstransformator enthält, in dessen Primärwicklung ein Geber der Spannung auf den zu verschweissenden Werkstücken eingeschaltet ist, der mit einem elektrohydraulischen Antrieb zur Verstellung der beweglichen Maschinenplatte über eine Antriebssteuereinheit verbunden ist.

Die Steuereinheit gibt Befehle auf die elektrische Spule eines elektrohydraulischen Ventils des Verstellantriebs, wobei je eine Halbperiode des Speisenetzes die Stromrichtung und -stärke in der elektrischen Spule geändert wird, wodurch die Richtung und das Volumen der hydraulischen durch das elektrohydraulische Ventil des Antriebs strömenden Flüssigkeit geändert wird sowie eine entsprechende impulsartige Bewegung der Maschinenplatte zustandegebracht wird.

Diese Steuereinheit enthält einen Schnellschaltkreis, der mit der erwähnten elektrischen Spule verbunden ist. Die Stromstärke und -richtung in der elektrischen Spule hängt von der Spannung auf den zu verschweissenden Werkstük-ken ab, wobei bei einer Vergrösserung dieser Spannung die Periode der Vorwärtsbewegung der Maschinenplatte innerhalb jeder Halbperiode vergrössert und bei einer Verringerung dieser Spannung die Vorwärtsbewegung der Maschine verringert und die entsprechende Rückwärtsbewegung vergrössert wird.

Der Schnellschaltkreis der Steuereinheit enthält zwei Transistoren, zwischen deren Kollektoren eine elektrische Spule in Reihe mit zwei Potentiometern und parallel zu diesen geschalteten Dioden eingeschaltet ist. Die Basis des einen der Transistoren ist über einen Widerstand mit dem Kollektor des anderen Transistors verbunden. Wenn der zweite Transistor geschlossen ist, ist deswegen der erste Transistor unbedingt offen und der Speisestrom verlagert den Schieber an der Öffnung des elektrohydraulischen Ventils über die Spule und den offenen Transistor derart, dass die Maschine sich vorwärts bewegt, der Strom wird über die Spule durch einen der Potentiometer geregelt und der andere ist dabei durch die Diode geshuntet; durch die Stromänderung wird die Bewegungsgeschwindigkeit geregelt.

Die Basis des zweiten Transistors ist mit dem Ausgang eines Schmitt-Triggers verbunden, an dessen Eingang eine zur Schweissspannung proportionale Rückkopplungsspannung angelegt wird, die vom Schweisstransformator abgenommen wird.

Wenn die Rückkopplungsspannung die Ansprechschwelle des Schmitt-Triggers überschreitet, kippt er, und der zweite Transistor der Steuerschaltung wird geöffnet, und der erste Transistor wird geschlossen. Im Ergebnis wird die Stromrichtung in der Spule umgekehrt und die bewegliche Maschinenplatte beginnt die Rückwärtsbewegung. Die Bewegungsgeschwindigkeit kann durch den Potentiometer geregelt werden, der durch die Diode nicht geshuntet ist.

Durch diese Einrichtung wird ein stabiler Abbrennvorgang sichergestellt, weü sie gestattet, auf die Änderungen der Schweissspannung während jeder Halbperiode zu reagieren.

Infolge eventueller Änderung der Schweissspannung in einem breiten Bereich ist es jedoch schwierig, eine reproduzierbare Erwärmung der zu verschweissenden Werkstücke zu erreichen. Die unvermeidliche zeitliche Schwankung der Netzspannung und der Maschinenimpedanz führt ausserdem beim Einsatz der genannten Steuereinrichtung zur Änderung der Kenndaten des Vorgangs selbst. Die konstante vorgegebene Geschwindigkeit der Näherung und der Aus2

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einanderführung der zu verschweissenden Werkstücke führt beim Vorhandensein genannter Störungen zur Änderung der Abbrennintensität der zu verschweissenden Werkstücke und als Folge zu einer unstabilen Erwärmung, wodurch die Qualität der Schweissverbindung verschlechtert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuereinrichtung für eine Widerstandsabbrennstumpfschweissma-schine zu Schaffen, durch die die Qualität der Schweissver-bindungen aufgrund der Stabilisierung der Erwärmung der zu verschweissenden Werkstücke verbessert wird.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die vorgeschlagene Steuereinrichtung die im Kennzeichen des Patentanspruches umschriebenen Merkmale aufweist.

Eine derartige Ausführung der Steuereinheit des Antriebs sowie das Vorhandensein der Einheit für die Konstanthaltung der Schweissspannung und der Sollspannungsquelle gestatten es, durch die Stabilisierung der intensiven Erwärmung der zu verschweissenden Werkstücke die Qualität der Schweissverbindung bei erhöhter Arbeitsleistung zu verbessern.

Nachstehend ist die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert, in denen es zeigt:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemässen Steuereinrichtung;

Fig. 2 ein elektrisches Prinzipschaltbild eines Spannungskonstanthalters;

Fig. 3 Diagramme, durch die die Funktion der erfindungsgemässen Steuereinrichtung erläutert wird.

Die erfindungsgemässe Steuereinrichtung enthält einen Schweisstransformator 1 (Fig. 1), dessen Sekundärwicklung an Spannbacken 2, 3 (die Backe 2 ist auf der beweglichen und die Backe 3 auf der unbeweglichen Maschinenplatte angeordnet) mit darin eingespannten zu verschweissenden Werkstücken 4 und 5 angeschlossen ist. Die Primärwicklung des Schweisstransformators 1 ist an das Speisenetz über eine Einheit 6 zur Konstanthaltung der Schweissspannung angeschlossen, deren Steuereingang mit der Sekundärwicklung des Schweisstransformators 1 verbunden ist. In den Kreis der Primärwicklung des Schweisstransformators ist ein Schweissstromgeber 1 eingeschaltet, der einen Stromwandler 8 enthält, der mit der Primärwicklung eines Aufspanntransformators 9 verbunden ist. Die Sekundärwicklung des Aufspanntransformators 9 ist an eine Gleichrichterbrücke 10 angeschlossen, deren Ausgang an einen Potentiometer 11 angeschlossen ist. Der Ausgang des Schweissstromgebers 7 ist an den einen Eingang einer Steuereinheit 12 des Antriebs angeschlossen, deren zweiter Eingang mit einer Sollspannungsquelle 13 verbunden ist.

Die Steuereinheit 12 des Antriebs besitzt zwei Eingangsverstärker 14 und 15, die mit ihren einen Eingängen über Eingangswiderstände 16,17 an einen Potentiometer 18 angeschlossen sind, der mit der Sollspannungsquelle 13 verbunden ist, und mit ihren anderen Eingängen über Widerstände 19 und 20 an den Potentiometer 11 des Schweissstromgebers 7 angeschlossen sind. Die Ausgänge der Eingangsverstärker 14 und 15 sind mit den Basen von Transistoren 21 und 22 verbunden, deren Kollektoren an Lastwiderstände 23 und 24 und an Potentiometer 25 und 26 angeschlossen sind.

Der Lastwiderstand 23 und der Potentiometer 25 und der Lastwiderstand 24 und entsprechend der Potentiometer 26 bilden zwei Spannungsteiler.

Die Schleifer der Potentiometer 25 und 26 sind über Eingangswiderstände 27 und 28 mit dem Eingang eines Operationsverstärkers 29 verbunden. An den Ausgang der Steuereinheit 12 ist ein elektrischer Antrieb 30 angeschlossen, der aus einem elektrohydraulischen Ventil 31 besteht, das an den Ausgang der Steuereinheit 12 angeschlossen ist, sowie einen durch dieses gesteuerten Hydraulikzylinder 32 besitzt, durch den die zu verschweissenden Werkstücke 4 und 5 verschoben werden.

Nachstehend ist anhand der Fig. 2 das elektrische Prinzipschaltbild der Einheit 6 zur Konstanthaltung der Schweissspannung in Details beschrieben. Die Einheit 6 zur Konstanthaltung der Schweissspannung enthält ein Thyristorschütz 33, eine Steuereinheit 34 für das Thyristorschütz 33 und eine Speisequelle 35 für die Steuereinheit 34. Das Thyristorschütz 33 weist zwei gegensinnig geschaltete Leistungsthyristoren 36 und 37 auf, deren Steuerelektroden über Dioden 38 und 39 und Widerstände 40 und 41 an die Sekundärwicklungen eines Transformators 42 angeschlossen sind.

Die Primärwicklung des Transformators 42 ist mit dem einen Ende an die Basis eines Monoübergangstransistors 43 der Steuereinheit 34 und mit dem anderen Ende an einen Kondensator 44 angeschlossen; der Emitter des Transistors 43 und die zweite Klemme des Kondensators 44 der Steuereinheit 34 sind miteinander verbunden und über einen Widerstand 45 an den Kollektor eines Transistors 46 angeschlossen. Die Basis des Transistors 46 ist über einen Widerstand 47 an den Ausgang eines Verstärkers 48 angeschlossen. An den einen der Eingänge des Verstärkers 48 ist über einen Widerstand 49 positive Spannung von einem Potentiometer 50 angelegt. Durch die Höhe dieser Spannung wird der anfängliche Zündwinkel der Thyristoren 36 und 37 des Thyristorschützes 33 bestimmt. Ein Widerstand 51 ist zwischen dem Ein- und dem Ausgang des Verstärkers 48 eingeschaltet und bestimmt den Übertragungskoeffizient des Verstärkers 48. Der zweite Eingang des Verstärkers 48 ist über einen Widerstand 52 an den Ausgang eines Verstärkers 53 angeschlossen. Der eine Eingang des Verstärkers 53 ist über einen Widerstand 54 mit dem Schleifer eines Potentiometers 55 verbunden. Vom Schleifer des Potentiometers 55 wird dem Eingang des Verstärkers 53 negative Spannung zugeführt, durch die der Sollwert der Schweissspannung vorgegeben wird. Der Eingang des Verstärkers 53 ist auch über einen Widerstand 56 mit dem Ausgang einer Gleichrichterbrücke 57 verbunden, an deren Ausgang ein Filterkondensator 58 geschaltet ist. Der Eingang der Gleichrichterbrücke 57 ist an die Enden der Sekundärwicklung des Schweisstransformators 1 angeschlossen. Der Verstärkungskoeffizient des Verstärkers 53 wird durch einen Widerstand 59 bestimmt, der zwischen dem Ein- und dem Ausgang des Verstärkers 53 eingeschaltet ist. Vor der Gleichrichterbrücke 57 wird die der Schweissspannung proportionale geglättete positive Spannung über den Widerstand 56 dem Eingang des Verstärkers 53 zugeführt. Am Eingang des Verstärkers 53 wird diese Spannung mit der vom Potentiometer 55 abgenommenen Spannung algebraisch summiert, und am Ausgang des Verstärkers 53 tritt die Differenzspannung zwischen dem Soll-und dem Istwert der Schweissspannung auf. Das Vorzeichen der Ausgangsspannung des Verstärkers 53 ist derart gewählt, dass bei einer Überschreitung des Sollwerts der Schweissspannung die Ausgangsspannung des Verstärkers 53 von der vom Potentiometer 50 abgenommenen Spannung extrahiert wird, wobei die Ausgangsspannung des Verstärkers 48 und als Folge der Basisstrom des Transistors 46 verringert werden. Dadurch wird der Kollektorstrom des Transistors 46, d.h. der Ladungsstrom des Kondensators 44 verringert. Im Ergebnis schaltet sich der Monoübergangstransi-stor 43 mit einer bestimmten Verzögerung ein, wobei durch die Primärwicklung des Transformators 42 ein kurzer Stromimpuls geht, der durch die Entladung des Kondensators 44 erzeugt wird. Von den Sekundärwicklungen des Transformators 42 gelangen an die Steuerelektroden der Thyristoren 36 und 37 Steuerimpulse mit einer bestimmten

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Phase (relativ zum Null der Wechselstromsinuslinie). Die Phase oder der elektrische Winkel der Steuerimpulse hängt somit von der vom Potentiometer 50 abgenommenen Spannung und von der Ausgangsspannung des Verstärkers 53 ab. Bei einer Vergrösserung der Phase der Steuerimpulse nimmt der Stromflusswinkel der Thyristoren 36 und 37 zu und folglich verringert sich die Schweissspannung. Beim Unterschreiten des Sollwertes der Schweissspannung verläuft der Vorgang in umgekehrter Folge — die Phase der Steuerimpulse und der Stromflusswinkel der Thyristoren 36 und 37 verringern sich, die Schweissspannung wird auf den Sollwert erhöht.

Die Steuereinrichtung für eine Widerstandsabbrenn-stumpfschweissmaschine funktioniert folgenderweise.

Die Spannung Ui (Fig. 1 und 3) des Speisenetzes wird an die Primärwicklung des Schweisstransformators 1 (Fig. 1 und 2) über das Thyristorschütz 33 (Fig. 2) der Einheit 6 zur Konstanthaltung der Schweissspannung angelegt. Von der Sekundärwicklung des Schweisstransformators 1 (Fig. 1) wird die Spannung über die Spannbacken 2 und 3 an die zu verschweissenden Werkstücke 4 und 5 angelegt. Bei der Spannungszuführung zur Steuereinheit 12 des Antriebs und zu der Sollspannungsquelle 13 wird vom Potentiometer 18 die Spannung U2 (Fig. 1 und 3) mit positiver Polarität abgenommen, die den nichtinvertierenden Eingängen der Eingangsverstärker 14 und 15 der Steuereinheit 12 des Antriebs über die Widerstände 16 und 17 (Fig. 1) zugeführt wird. Die invertierenden Eingänge der Eingangsverstärker 14 und 15 sind spannungslos, weil man mit dem Schweissvorgang noch nicht begonnen hat, und der Schweissstrom Ji (Fig. 3) ausbleibt. Im Ergebnis haben die Ausgänge der Eingangsverstärker 14 und 15 (Fig. 1) eine Spannung mit positiver Polarität, durch die der Transistor 22 (n-p-n-Anordnung) geöffnet wird, und durch diesen wird der Potentiometer 26 geshuntet, was mit der Erdung des Eingangswiderstandes 29 gleichbedeutend ist. Gleichzeitig wird der Transistor 21 (p-n-p-Anordnung) geschlossen und die negative Spannung der Speisequelle wird über den Widerstand 23 an den Potentiometer 25 angelegt. Die negative Spannung, deren Höhe durch die Stellung des Schleifers des Potentiometers 25 bestimmt wird, wird über den Widerstand 27 dem Eingang des Operationsverstärkers 29 zugeführt, von dessen Ausgang die Spannung U3 (Fig. 1 und 3) dem Eingang des elektrohydraulischen Ventils 31 des elektrohydraulischen Antriebs 30 zugeführt wird.

Der Hydraulikzylinder 32 wird durch das elektrohydrau-lische Ventil 31 derart gesteuert, dass die zu verschweissenden Werkstücke 4 und 5 beginnen, sich zu nähern. Bei deren Berührung entsteht in der Primärwicklung des Schweisstransformators 1 ein Schweissstrom, der durch den Stromwandler 8 in eine Spannung umgewandelt wird, die durch den Aufspanntransformator 9 des Schweissstromgebers 7 erhöht wird. Die dem Schweissstrom Ji (Fig. 3) proportionale Spannung wird von der Sekundärwicklung des Aufspanntransformators 9 (Fig. 1) der Gleichrichterbrücke 10 zugeführt und die gleichgerichtete Spannung wird vom Ausgang der Gleichrichterbrücke 10 an den Potentiometer 11 angelegt. Die Höhe der Spannung U4 (Fig. 1 und 3) wird durch die Stellung des Schleifers des Potentiometers 11 (Fig. 1) bestimmt, von dem sie den invertierenden Eingängen der Verstärker 14 und 15 zugeführt wird. Bis der Schweissstrom Ji (Fig. 3) den voreingestellten Wert nicht überschreitet, mit dem die Sollspannung U2 übereinstimmt, nähern sich die zu verschweissenden Werkstücke 4 und 5 (Fig. 1) mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit. Sobald der Schweissstrom Ji (Fig. 3) den Sollwert überschreitet, wird die Spannung U4 grösser als U2 und das Vorzeichen auf den Ausgängen der Eingangsverstärker 14 und 15 (Fig. 1) wird sich sprunghaft vom plus auf minus ändern. Im Ergebnis öffnet sich der Transistor 21 und shuntet den Potentiometer 25, wobei die Näherung der zu verschweissenden Werkstücke 4 und 5 gestoppt wird. Im gleichen Augenblick schliesst sich der Transistor 22 und vom Schleifer des Potentiometers 26 wird dem Eingang des Operationsverstärkers 29 über den Widerstand 28 die Spannung mit positiver Polarität zugeführt, durch die die Geschwindigkeit der zu verschweissenden Werkstücke 4 und 5 beim Auseinanderfahren bestimmt wird. Vom Ausgang des Verstärkers 29 gelangt die Spannung auf den Eingang des elektrohydraulischen Ventils 31, durch den die Zufuhr der Betriebsflüssigkeit in die Hohlräume des Hydraulikzylinders 32 geregelt wird.

Die Werkstücke 4 und 5 werden auseinandergeführt, so lange als die Spannung U4 (Fig. 1 und 3) die Sollspannung U2 überschreitet. Gleich nachdem die Spannung U4 geringer wird, kommen die Eingangsverstärker 14 und 15 (Fig. 1) sprunghaft in die Ausgangsstellung, die zu verschweissenden Werkstücke 4 und 5 beginnen sich wieder zu nähern und der Vorgang wiederholt sich.

Während des Schweissvorgangs kann die Spannung auf den zu verschweissenden Werkstücken 4 und 5 variieren, sowohl infolge einer Änderung des Schweissstroms als auch infolge eventueller Netzschwankungen sowie infolge einer Erhöhung der Maschinenimpedanz. Das alles zusammengenommen kann wesentlich die Stabilität der Erwärmung der zu verschweissenden Werkstücke 4 und 5 und die Qualität der Schweissverbindungen beeinflussen. Um diese Einflüsse auszuschliessen, wird der Öffnungswinkel des Thyristorschützes 33 der Einheit 6 zur Konstanthaltung der Schweissspannung in Abhängigkeit von dem Istwert der Spannung auf den zu verschweissenden Werkstücken 4 und 5 geregelt, wodurch eine stabile Spannung auf den Werkstücken 4 und 5 während des Schweissvorganges sichergestellt wird.

Die vorliegende Erfindung kann beim Stumpfschweissen mit Maschinen zur Anwendung kommen, in denen ein schnellwirkender elektrohydraulischer Folgeantrieb eingesetzt wird. Zu derartigen Maschinen gehören vor allem solche, auf denen Werkstücke mit grossem durchgehendem Querschnitt beispielsweise Schienen, verschiedenes Walzgut, Kurbelgehäuse von Lokomotivdieselmotoren, Ringe ge-schweisst werden.

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3 Blatt Zeichnungen