DD214274A1

DD214274A1 - METHOD AND CIRCUIT FOR THE DISTANCE CONTROL OF PLASMA RUNNERS

Info

Publication number: DD214274A1
Application number: DD24938783A
Authority: DD
Inventors: Jochen Boehme; Dieter Odrich; Bernd-Dieter Wenzel; Peter Jagieniak
Original assignee: Ardenne Forschungsinst
Priority date: 1983-03-31
Filing date: 1983-03-31
Publication date: 1984-10-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltung zur Abstandsregelung von Plasmabrennern fuer Schneidzwecke. Das Ziel ist die Verbesserung der Schnittqualitaet und die Aufgabe, den Abstand mit grosser Genauigkeit konstantzuhalten. Erfindungsgemaess wird die Anodenfusspunktwechselspannung eines bestimmten Frequenzbereiches gleichgerichtet und von der Plasmabogen-Gleichspannung substrahiert. Diese Differenzspannung als Istwert wird mit einem Sollwert verglichen und daraus ein Signal zur Brennverstellung gewonnen. on der Plasmabogen-Gleichspannung substrahiert. Diese Differenzspannung als Istwert wird mit einem Sollwert verglichen und daraus ein Signal zur Brennerverstellung gewonnen.The invention relates to a method and a circuit for controlling the distance of plasma torches for cutting purposes. The goal is to improve the quality of the cut and to keep the distance constant with great accuracy. According to the invention, the anode base point alternating voltage of a certain frequency range is rectified and subtracted from the plasma arc DC voltage. This differential voltage as an actual value is compared with a desired value and used to obtain a signal for combustion adjustment. subtracted on the plasma arc DC voltage. This differential voltage as the actual value is compared with a setpoint value and from this a signal for burner adjustment is obtained.

Description

Verfahren und Schaltung zur Abstandsregelung von Plasmabrennern 'Method and circuit for controlling the distance of plasma torches'

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und die zugehörige Schaltung zur Konstanthaltung des Abstandes zwischen dem Plasma-Schneidbrenner und der Werkstückoberfläche beim Plasmaschneiden,The invention relates to a method and the associated circuit for keeping constant the distance between the plasma cutting torch and the workpiece surface in plasma cutting,

Characteristic of the known technical solutions

Es ist bekannt, daß beim Plasmaschneiden die Einhaltung des exakten vorgegebenen Abstandes zwischen Plasmabrenner und Werkstück für die Schnittqualität verantwortlich ist, vVerkstückwelligkeiten und thermischer Verzug können zu Abstandsänderungen führen. Die automatische Nachführung des Brenners erfolgt hauptsächlich elektromotorischoder hydraulisch. Die Abstandsänderungen können mechanisch, pneumatisch, kapazitiv,, induktiv oder fotoelektrisch erfaßt werden. Die Nachteile dieser Verfahren sind, daß relativ große Flächen um den Prozeßort erfaßt werden müssen, daß die thermische Wirkung des Plasmas und der beim Einstechen auftretende Gasrückstau zu Meßwertverfälschungen führen kann. Bei kapazitiven und induktiven Einrichtungen sind Beeinflussungen durch den Plasmastörpegel möglich, ebenso können anhaftende Metallspritzer an den Indikatorelektroden zu Meßwertveränderungen führen. Fotoelektrische Abtastungen werden durch die hohe Leuchtstärke des Plasmas selbst" sowie durch Rauch-und Staub beeinflußt.It is known that in plasma cutting, compliance with the exact predetermined distance between the plasma torch and the workpiece is responsible for the quality of the cut, v-piece undulations and thermal distortion can lead to changes in the spacing. The automatic tracking of the burner is mainly electric motor or hydraulic. The distance changes can be detected mechanically, pneumatically, capacitively, inductively or photoelectrically. The disadvantages of these methods are that relatively large areas must be detected around the process location, that the thermal effect of the plasma and the gas backlog occurring during piercing can lead to Meßwertverfälschungen. With capacitive and inductive devices, influences by the plasma noise level are possible, as well as adhering metal splashes on the indicator electrodes can lead to changes in the measured value. Photoelectric scans are affected by the high luminosity of the plasma itself, as well as by smoke and dust.

Es ist auch bekannt, ein Verfahren aus der Schweißtechnik, weiches dort zur Prozeßsteuerung eingesetzt wird, für die Höhensteuerung in der Plasmatechnik anzuwenden (DE-OS 1565733). Das Verfahren nutzt die physikalische Eigenschaft des Lichtbogens aus, indem sich die Brennspannung mit der Bogenlänge ändert. Es werden zwar die Mangel der anderen Verfahren weitgehend beseitigt» aber dafür bringt dieses andere Nachteile mit sich. So verändert sich die Brennspannung bei konstant gehaltenem Brennerabstand durch Katodenverschleiß, Große Brennspannungsänderungen treten beim Schneiden von unterschiedlichen Materialdicken und bei Schnittgeschwindigkeitsänderungen auf. Damit wird dieses Verfahren abhängig von einer Vorprogrammierung des Sollwertes mittels eines Rechners, oder der Sollwert muß der jeweiligen Aufgabenstellung laufend angepaßt werden. Das bedeutet, daß eine umfangreiche Kennlinienschar für die unterschiedlichen Schneidaufgaben vorhanden sein muß, wobei Abweichungen, z.B. durch Fertigungstoleranzen, nicht erfaßt und nur nachträglich empirisch berücksichtigt werden können.It is also known to use a method of welding technology, which is used there for process control, for height control in plasma technology (DE-OS 1565733). The process exploits the physical property of the arc by changing the burning voltage with the arc length. Although the deficiencies of the other processes are largely eliminated »but this brings with it other disadvantages. Thus, the burning voltage changes while the torch distance is kept constant due to cathode wear. Large changes in burning voltage occur when cutting different material thicknesses and when changing cutting speeds. Thus, this method is dependent on a pre-programming of the setpoint by means of a computer, or the setpoint must be adapted to the task at hand. This means that there must be an extensive range of characteristics for the different cutting tasks, deviations, e.g. can not be detected by manufacturing tolerances, and can only be considered empirically afterwards.

Object of the invention

Die Mangel am Stand der Technik sind zu beseitigen, um die Schnittqualität zu verbessern, damit der Ausschuß verringert wird.The shortcomings of the prior art are to be eliminated in order to improve the quality of cut, so that the rejects are reduced.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für eine Plasmabrenner-Abstandsregelung zu schaffen, welches mit hoher Genauigkeit arbeitet, und fast trägheitslos auf Änderungen der Schnittgeschwindigkeit, Materialdicke und Materialunebenheiten reagiert. Auch Einflüsse durch Katodenverschleiß sollen ausgeglichen werden. Die dazugehörige Schaltung soll einfach realisierbar sein und mit jedem Plasmabrennertyp arbeiten können.The invention has for its object to provide a method for a plasma torch pitch control, which works with high accuracy, and reacts almost without inertia to changes in cutting speed, material thickness and material irregularities. Also influences by Katodenverschleiß should be compensated. The associated circuit should be easy to implement and work with any type of plasma torch.

Es wurde gefunden, daß der Wechselspannungsanteil in der Bogenspannung, der dadurch entsteht, daß der Anodenansatzpunkt im Schnittspalt eine dauernde oszillierende Bewegung mit einerIt has been found that the AC component in the arc voltage, which arises because the Anodenansatzpunkt in the kerf a permanent oscillating motion with a

Frequenz im Bereich von >" 1 kHz bis 10 kHz ausführt und dadurch eine wechselnde Fußpunktspannung hervorruft, bei hoher Schnittgeschwindigkeit kleiner wird und umgekehrt. Ebenso verhält sich der Wechselspannungsanteil zur Materialdicke proportional. Bogenstromänderungen bei konstantem Düsendurchmesser ergeben Lage- und Amplitudenänderungen des Anodenansatzpunktes. D.h., wird der Bogenstrom verringert, so wandert der Anodenansatzpunkt im Schnittspalt in Richtung Werkstückoberfläche, die Bogenspannung und die Amplitude der Wechselspannung werden kleiner. Dabei bleibt die gebildete Differenz zwischen"der Bogenspannung und der gleichgerichteten Wechselspannung bei konstantem Abstand von Brenner zu Werkstück ebenfalls konstant.Frequency in the range of>"1 kHz to 10 kHz and thereby causes an alternating Fußpunktspannung, becomes smaller at high cutting speed and vice versa. If the arc current is reduced, the anode starting point moves in the kerf in the direction of the workpiece surface, the arc voltage and the amplitude of the AC voltage become smaller, while the difference between the arc voltage and the rectified AC voltage at a constant distance from torch to workpiece remains constant.

Aus diesem Zusammenhang ergibt sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Abstandsregelung von Plasmabrennern derart, daß von der Plasmabogen-Gleichspannung, die der Bogenspannung äquivalent ist, die gleichgerichtete Anodenfußpunktwechselspannung subtrahiert wird.From this context, the inventive method for the distance control of plasma torches results in such that of the plasma arc DC voltage, which is equivalent to the arc voltage, the rectified Anodenfußpunktwechselspannung is subtracted.

Diese zur Auswertung für die Messung benutzte Wechselspannung muß dazu durch selektive Mittel von dem Frequenzanteil getrennt werden, welcher von dem Gleichrichtereffekt der Bogenstromversorgung entstammt. Die dann gebildete Differenzspannung ist der Ist-Wert für die Höhenverstellung, die mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen wird und in bekannter Weise den Abstand des Brenners von der Werkstückoberfläche mechanisch regelt.For this purpose, this alternating voltage used for the evaluation for the measurement must be separated from the frequency component by selective means, which originates from the rectifier effect of the arc current supply. The differential voltage then formed is the actual value for the height adjustment, which is compared with a predetermined setpoint and mechanically controls the distance of the burner from the workpiece surface in a known manner.

Die Schaltung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem Spannungsleiter, der zwischen die Düse und das Werkstück geschaltet ist und einem Gleichrichter mit vorgeschaltetem Filter, welches nur bestimmte Frequenzen durchläßt. Mittels eines weiteren Spannungsteilers wird ein Teil dieser gleichgerichteten AnodsnfuSpunktwechselspannung regelbar abgegriffen und einem bekannten Regelverstärkersystem zugeführt. Im Regelverstärkersystem wird mit einem subtrahierenden Operationsverstärker die Spannungsdifferenz gebildet, in einem weiteren Operationsverstärker wird der Vergleich zwischen dem Ist- undThe circuit for carrying out the method consists of a voltage conductor which is connected between the nozzle and the workpiece and a rectifier with upstream filter, which passes only certain frequencies. By means of a further voltage divider, a part of this rectified AnodsnfuSpunktwechselspannung is controllably tapped and fed to a known control amplifier system. In the control amplifier system, the voltage difference is formed with a subtracting operational amplifier, in another operational amplifier, the comparison between the actual and

ο β βο β β

Sollwert durchgeführt, und damit die Höhenverstellung des Plasmabrenners ausgelöst.Setpoint performed, and thus triggered the height adjustment of the plasma torch.

embodiment

In der Zeichnung ist eine Schaltung zur Abstandsregelung im Prinzip dargestellt.In the drawing, a circuit for distance control is shown in principle.

An einem Plasmabrenner, bestehend aus Katode 1 und Düse 2, dessen Plasmabogen 3 von der Katode 1 zum oszillierenden Anodenansatzpunkt 4 im Schnittspalt des Werkstückes 5 brennt, wird von dessen Düse 2 eine Spannung abgegriffen. Ober den Spannungsteiler 6 wird daraus eine Teilgleichspannung des Spannungspotentials, welches zwischen Düse 2 und Anodenansatzpunkt 4 herrscht, abgegriffen, und über ein Filter 7 mit nachgeschaltetem Gleichrichter 8 wird am Spannungsteiler 9 .eine gleichgerichtete Anodenfußpunktwechselspannung abgegriffen. Beide Spannungen werden dem Eingang eines Regelverstärkersystems 10 zugeführt, das außer den Operationsverstärkern 11; 12 weitere erforderliche Bauelemente enthält. Die beiden Spannungen werden mit dem einen Operationsverstärker 11 subtrahiert, und es wird der Ist-Wert gebildet. Dieser wird mit dem Sollwert für den Brennerabstand am zweiten Operationsverstärker 12 verglichen. Die Bogengleichspannung zwischen Düse 2 und dem Anodenansatzpunkt 4 im Schneidspalt des Werkstückes 5, welche den Grundwert der Regelspannung bildet, wird durch die gleich-.gerichtete höherfrequente Wechselspannung, die durch die Oszillation des Anodenansatzpunktes 4 entsteht, durch Subtraktion korrigiert. Die resultierende neue Gleichspannung ist proportional dem Abstand zwischen Düse 2 und Werkstückoberfläche. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 12 steuert die Brennerhöhenverstellung 13 an. Von Vorteil ist, wenn der Spannungsteiler 9 und/oder auch der Spannungsteiler 6 einen einstellbaren Regelwiderstand besitzen, um das Regelverstärkersystem 10 einmalig abgleichen zu können.At a plasma torch consisting of cathode 1 and nozzle 2, whose plasma arc 3 from the cathode 1 to the oscillating anode preparation point 4 burns in the kerf of the workpiece 5, a voltage is tapped from the nozzle 2. From the voltage divider 6, a partial DC voltage of the voltage potential, which prevails between the nozzle 2 and the anode attachment point 4, is tapped therefrom, and a rectified anode base voltage is tapped off at the voltage divider 9 via a filter 7 with a downstream rectifier 8. Both voltages are supplied to the input of a control amplifier system 10, which except the operational amplifiers 11; 12 more required components contains. The two voltages are subtracted with the one operational amplifier 11, and the actual value is formed. This is compared with the setpoint for the burner distance at the second operational amplifier 12. The arc direct voltage between the nozzle 2 and the Anodenansatzpunkt 4 in the cutting gap of the workpiece 5, which forms the base value of the control voltage is corrected by the same-. Directed higher-frequency AC voltage resulting from the oscillation of the Anodenansatzpunktes 4, by subtraction. The resulting new DC voltage is proportional to the distance between nozzle 2 and workpiece surface. The output signal of the operational amplifier 12 controls the burner height adjustment 13. It is advantageous if the voltage divider 9 and / or the voltage divider 6 have an adjustable variable resistor in order to adjust the control amplifier system 10 once.

Das F_ilter 7 ist so bemessen, daß nur Frequenzen im Bereich von 8 kHz bis 50 kHz durchgelassen werden.The F_ilter 7 is dimensioned so that only frequencies in the range of 8 kHz to 50 kHz are transmitted.

Claims

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invention claim

1. A method for controlling the distance of plasma torches, characterized in that a certain frequency range of the anode base AC voltage rectified and a part thereof is subtracted from the arc voltage equivalent DC potential and this difference voltage is used as the actual value for comparison with a target value for controlling the distance.

2. A circuit for controlling the distance of plasma torches according to item 1, characterized in that between the nozzle (2) and workpiece (5), a voltage divider (6) is connected, that in parallel via a filter (7) and a rectifier (8) Further voltage divider (9) is connected, that each tap of the voltage divider (6; 9) is connected to the input of a control amplifier system (10) and in that the control amplifier system (10) has a burner height adjustment (13) is connected.

3. A circuit according to item 2, characterized in that a resistor of one or both voltage divider (6; 9) is controllable.

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