DD286533A5

DD286533A5 - ARRANGEMENT FOR CONTACTLESS MEASUREMENT OF THE CLEARANCE OF A CUTTING BURNER FROM THE WORKPIECE SURFACE

Info

Publication number: DD286533A5
Application number: DD33019289A
Authority: DD
Inventors: Uwe Bannert; Thomas Luschtinetz; Karl Kringel; Margitta Brachmann; Karsten Kruse
Original assignee: Veb Schiffswerft "Neptun",De; Wilhelm-Pieck-Universitaet,De
Priority date: 1989-06-30
Filing date: 1989-06-30
Publication date: 1991-01-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur beruehrungslosen Messung des Abstandes eines Schneidbrenners von der Werkstueckoberflaeche und bezieht sich auf das automatische Brennschneiden, insbesondere mit abweichend von der Normallage geneigtem Brenner zur Schweisznahtvorbereitung an ebenen und verformten Stahlblechkonstruktionen. Ziel der Erfindung ist es, die Genauigkeit des Brennschnittes zu erhoehen. Die Fuehrung des Schneidbrenners in konstantem Abstand zum Werkstueck erfolgt mit Hilfe eines Abstandssensors, der den unmittelbaren Schneidbereich erfaszt und dessen Anordnung in Verbindung mit dem Brenner eine einfache Positionierbarkeit gestattet. Zu diesem Zweck wird ein induktiver Stabsensor etwa in Hoehe und unmittelbar neben der Duesenaustrittsoeffnung und entgegengesetzt zur Brennerachse bis zu einem Winkel zur Normalen geneigt, der dem Neigungswinkel der Brennerachse zur Normalen entspricht, jedoch mindestens 20 zur Brennerachse betraegt, angeordnet. Fig. 2{Brennschneiden; Schneidbrenner; Schweisznahtvorbereitung; Abstandsmessung, beruehrungslos; Brennerfuehrung; Abstandssensor; induktiver Stabsensor}The invention relates to an arrangement for contactless measurement of the distance of a cutting torch from the Werkstueckoberflaeche and refers to the automatic flame cutting, in particular with deviating from the normal position inclined burner for Schweisznahtvorbereitung on flat and deformed steel sheet structures. The aim of the invention is to increase the accuracy of the flame cutting. The cutting torch is kept at a constant distance from the work piece by means of a distance sensor, which detects the immediate cutting area and whose arrangement in combination with the burner allows easy positioning. For this purpose, an inductive rod sensor is inclined approximately in height and immediately adjacent to the nozzle exit opening and opposite to the burner axis up to an angle to the normal, which corresponds to the inclination angle of the burner axis to the normal but at least 20 to the burner axis. Fig. 2 {flame cutting; Cutting torch; Schweisznahtvorbereitung; Distance measurement, contactless; Brennerfuehrung; Proximity sensor; inductive rod sensor}

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur berührungslosen Messung des Abstandes zwischen der Brennerdüse eines Schneidbrenners und der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes für die Führung des Brenners in konstantem Abstand zum Werkstück. Die Anwendung erfolgt beim automatischen Brennschneiden, insbesondere mit einem abweichend von der Normallage geneigten Gas-Schneidbrenner mit einem Ringdüsensystem zur Schweißnahtvorbereitung an ebenen und verformten Stahlblechen sowie Flächen- und Volumensektionen im Schiffbau.The invention relates to an arrangement for non-contact measurement of the distance between the burner nozzle of a cutting torch and the surface of the workpiece to be machined for the leadership of the burner at a constant distance from the workpiece. The application is made in automatic flame cutting, in particular with a gas cutting torch inclined with respect to the normal position with a ring nozzle system for preparing weld seams on flat and deformed steel sheets as well as area and volume sections in shipbuilding.

Characteristic of the known state of the art

Es ist üblich, für die Abstandsmessung zwischen einer Brennerspitze und dem Werkstück Sensoren einzusetzen. So sind zahlreiche Anordnungen bekannt, die mit Sensoren unterschiedlicher physikalischer Wirkprinzipien ausgerüstet sind und der Führung insbesondere von Schweißbrennern dienen. Bei Verwendung kapazitiv arbeitender Sensoren wird r.B. der Kapazitätswert zwischen einer flächigen, in der Nähe der Brennerdüse angeordneten Elektrode und dem Werkstück laufend überprüft und darauf der Abstandswert ermittelt. Kapazitive Anordnungen zur Abstandsmessung weisen verschiedene Mängel auf und sind vielfachen Störeinflüssen ausgesetzt. Hinsichtlich ihres Einsatzes beim Brennschneiden ist besonders die ungenügende Konstanz des Meßeffektes von Nachteil, die ihre Ursache in der Beeinflussung des Dielektrikums durch die Schneidflamme hat und durch Luftfeuchtigkeits- und Temperaturänderungen sowie der Ionisation der Luft hervorgerufen wird. Ähnlichen Störeinflüssen sind die Verfahren unterworfen, bei denen die Führungsgröße aus der Bestimmung der Leitfähigkeit der Schneidflamme gebildet wird. Auch die Auswertung der abstandsabhängigen Änderung des Staudruckes einer Düse zum Schneidgut ist aufwendig und praktisch schwer handhabbar.It is customary to use sensors for the distance measurement between a burner tip and the workpiece. Thus, numerous arrangements are known which are equipped with sensors of different physical principles of action and serve the leadership in particular of welding torches. When capacitive sensors are used, r.B. the capacitance value between a planar, arranged in the vicinity of the burner nozzle electrode and the workpiece continuously checked and determines the distance value. Capacitive arrangements for distance measurement have various shortcomings and are exposed to multiple disturbing influences. With regard to their use in flame cutting is particularly the insufficient constancy of the measuring effect of disadvantage, which has its cause in the influence of the dielectric by the cutting flame and caused by humidity and temperature changes and the ionization of the air. Similar interferences are subject to the processes in which the reference variable is formed from the determination of the conductivity of the cutting flame. Also, the evaluation of the distance-dependent change of the back pressure of a nozzle for Schneidgut is complicated and practically difficult to handle.

Gegen den Einsatz induktiver Sensoren für eine direkte Messung im unmittelbaren Schneidbereich werden bislang die Probleme oft extremer und schwer beherrschbarer Temperatureinflüsse angefü! Λ. Die allgemein bekannten Anordnungen erfordern deshalb aufwendige Wärmeschutz- und spezielle Kühlsysteme. Daraus ergibt sich der Nachteil, daß sich der Sensor im Volumen derart vergrößert, daß eine Positionierung zur Erfassung des unmittelbaren Schneidbereiches nicht mehr möglich ist und die insbesondere beim Brennschneiden mit geneigter brennerachse geforderte Genauigkeit nicht erreicht werden kann. Aus der DE-OS 2747539 ist eine Elektrodenanordnung zur induktiven Abstandsmessung bekannt, die aus einer Induktionsschleife mit wenigstens einer Teilwindung besteht, wobei die Induktionsschleife auf einem Trägerkörper befestigt ist, welcher in Höhe der Düsenöffnung um letztere herum angeordnet bzw. die Brennerdüse selbst als induktive Ringelektrode ausgebildet ist. Das Sensierfeld liegt damit vorteilhaft im Schneidbereich. Eine derartige Anordnung hat jedoch den Nachteil einer geringen Meßempfindlichkei: durch Wirbelstrombildung im Nichteisenmetallkern der Brennerdüse und die begrenzte Induktion einer Sensorspule mit kleiner Windungszahl. Bei Anordnung der Induktionsschleife innerhalb oder an der Brennerdüse bzw. Verwendung der Brennerdüse selbst als Induktionsschleife kann die Grenze für den optimalen Meßabstand unter bestimmten prozeßspezif sehen Bedingungen, die z. B. einen größeren Brennerabstand zum Werkstück verlangen, nicht eingehalten werden.Against the use of inductive sensors for a direct measurement in the immediate cutting area so far the problems often extreme and difficult to control temperature effects angefü! Λ. The well-known arrangements therefore require complex heat protection and special cooling systems. This results in the disadvantage that the sensor increases in volume so that a positioning for detecting the immediate cutting area is no longer possible and the accuracy required in particular for flame cutting with inclined burner axis accuracy can not be achieved. From DE-OS 2747539 an electrode arrangement for inductive distance measurement is known, which consists of an induction loop with at least a partial turn, wherein the induction loop is mounted on a support body, which arranged at the level of the nozzle opening to the latter or the burner nozzle itself as an inductive ring electrode is trained. The Sensierfeld is thus advantageous in the cutting area. However, such an arrangement has the disadvantage of low Meßempfindlichkei: eddy current in the non-ferrous metal core of the burner nozzle and the limited induction of a sensor coil with a small number of turns. When arranging the induction loop within or at the burner nozzle or use of the burner nozzle itself as an induction loop, the limit for the optimum measuring distance under certain process-specific conditions see that z. B. require a larger torch distance to the workpiece, not be complied with.

In dem DD-WP 236036 wird eine sensorgeführte Schweißvorrichtung mit einer einen stabförmigen Sensor tragenden Halterung, die jm eine rechtwinklig zum Brennerhals stehende Drehachse schwenkbar ist, beschrieben. Die Anordnung des Sensors ist der konkreten Aufgabe des Kehlnahtschweißens, insbesondere von Eckkonstruktionen, angepaßt und für die Führung eines Schneidbrenners mit einer Genauigkeit, die nur durch eine direkte Messung des unmittelbaren Schneidbereiches realisierbar ist, nicht geeignet.DD-WP 236036 describes a sensor-guided welding apparatus with a holder carrying a rod-shaped sensor, which is pivotable in a rotation axis perpendicular to the burner neck. The arrangement of the sensor is the specific task of Kehlnahtschweißens, especially of corner structures, adapted and not suitable for the leadership of a cutting torch with an accuracy that can be realized only by a direct measurement of the immediate cutting area.

Die Durchführung von Schrägschnitten, insbesondere an verformten Stahlblechsektionen erfordert eine sehr exakte Höhenführung des Brenners, da jede Abweichung vom voigegebenen Sollabstand das Brennmaß beeinflußt. Eine Sensoranordnung für dieses Anwendungsgebiet, die geeignet ist, diesen Anforderungen mit technisch und ökonomisch vertretbarem Aufwand gerecht zu werden, ist nicht bekannt.The implementation of bevel cuts, in particular on deformed steel sheet sections requires a very precise height guidance of the burner, since any deviation from voigegebenen desired distance affects the focal length. A sensor arrangement for this application, which is suitable to meet these requirements with technically and economically justifiable effort, is not known.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, beim automatischen Brennschneiden mit abweichend von der Normallage geneigtem Brenner an ebenen und verformten Stahlblechen und Stahlblech Sektionen die für eine Schweißnahtvorbereitung erforderliche Maßgenauigkeit und Linearität des Brennschnittes zu gewährleisten und die wartungsfreie Standzeit des für die Abstandsmessung eingesetzten Sensors zu erhöhen.The aim of the invention is to ensure the required for a weld preparation dimensional accuracy and linearity of the flame cutting and increase the maintenance-free life of the sensor used for the distance measurement in the automatic flame cutting with deviating from the normal position inclined burner on flat and deformed steel sheets and steel sheet sections.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur berührungslosen Abstandsmessung für die Führung eines Schneidbrenners in konstantem Abstand zum Werkstück zu schaffen, die mit Hilfe eines Sensors den unmittelbaren Schneidbereich erfaßt und in Verbindung mit dem Schneidbrenner eine einfache Positionierbarkeit unter Berücksichtigung verschiedener Neigungswinkel des Brenners zur Normallage gestattet.The invention has for its object to provide an arrangement for non-contact distance measurement for the leadership of a cutting torch at a constant distance from the workpiece, which detects the immediate cutting area by means of a sensor and in conjunction with the cutting torch a simple positioning taking into account different inclination angle of the burner Normal position allowed.

Erfindungsgemäß ist ein mit dem Schneidbrenner verbundener induktiver Abstandsmesser in Stabform mit seiner Spitze etwa in Höhe und unmittelbar neben der Düsenaustrittsöffnung in der durch die Brennerachse und die im Schnittpunkt der Brennerachse mit der Werkstückoberfläche errichteten Normale bestimmten Ebene angeordnet und mit seiner Achse entgegengesetzt zur Brennerachse bis zu einem Winkel geneigt, der dem Neigungswinkel der Brennerachse entspricht, jedoch mindestens 20* zur Brennerachse beträgt. Der Sensor ist gegenüber dem Schneidbrenner in der durch die Brennerachse und die Normale bestimmte Ebene schwenkbar und verschiebbar und in Richtung der Sensorachse verschiebbar angeordnet. In Abhängigkeit von dem vorgegebenen Schneidwinkel wird die Lage des Sensors vor Beginn des Schneidvorganges entsprechend der Brennerposition eingestellt. Durch die beschriebene Anordnung des Sensors wird der unmittelbare Schneidberoich sensiert, ohne daß die Genauigkeit und Konstanz des Meßwertes durch metallische Schutzumhüllungen negativ beeinflußt wird. Der in diesem Bereich angeordnete Sensor ist mit minimalem Wärmeschutz stabil betreibbar. Mit dem Fortfall des sonst üblichen Wärmeschutzes verringert sich das Volumen erheblich, so daß der Sensor sicher innerhalb des sogenannten Flammenschattens ausgerichtet und im optimalen elektrischen Arbeitsbereich betrieben werden kann. Ausgehend von den technologischen Forderungen kann für die jeweilige Schneidaufgabe der Sensor im Bereich maximaler Meßgenauigkeit die Abstandsmessung und Führung des Schneidbrenners übernehmen.According to the invention, an inductive distance meter connected to the cutting torch is arranged with its tip approximately level with and immediately adjacent to the nozzle exit opening in the plane established by the burner axis and the normal axis at the point of intersection of the burner axis with its axis opposite to the burner axis up to inclined at an angle that corresponds to the inclination angle of the burner axis, but at least 20 * to the burner axis. The sensor is relative to the cutting torch in the plane determined by the burner axis and the normal certain plane and slidably disposed and slidable in the direction of the sensor axis. Depending on the predetermined cutting angle, the position of the sensor is set according to the burner position before the beginning of the cutting process. The described arrangement of the sensor, the direct Schneidberoich is sensed without the accuracy and constancy of the measured value is adversely affected by metallic protective sheaths. The sensor arranged in this area can be operated stably with minimal thermal protection. With the elimination of the usual thermal protection, the volume decreases significantly, so that the sensor can be safely aligned within the so-called flame shadow and operated in the optimal electrical working range. Based on the technological requirements, the distance measurement and guidance of the cutting torch can take over for the respective cutting task of the sensor in the range of maximum measuring accuracy.

Die gegenüber dem Schneidbrenner drehbare und verschiebbare Halterung des stabförmigen Sensors ermöglicht in einfacher Weise die Einstellung der Lagekoordinaten für die jeweils optimale Sensorplazierung bei allen in der Praxis üblichen Brennerlagen zum Schneidgut. Damit ist neben dor Ausrichtung der Sensorachse die Einhaltung eines optimalen Meßabstandes unabhängig vom Abstand der Brennerdüse zum Schneidgut möglich. Diese Eigenschaft ist bei technologisch bedingten großen Abständen der Brennerdüse von Bedeutung. Auf Grund seines Wirkprinzips bestimmt der Sensor den kürzesten Abstand zur Werkstückoberfläche und wird so eingestellt, daß sein Sensierfeld im Bereich der Schnittkante liegt.The relative to the cutting torch rotatable and displaceable mounting of the rod-shaped sensor allows in a simple manner, the setting of the position coordinates for each optimal sensor placement in all common in practice burner layers for Schneidgut. This is in addition to dor alignment of the sensor axis compliance with an optimum measuring distance regardless of the distance of the burner nozzle for Schneidgut possible. This property is important in technologically related large distances of the burner nozzle. Due to its operating principle, the sensor determines the shortest distance to the workpiece surface and is adjusted so that its sensing field is in the area of the cutting edge.

embodiment

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen inThe invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment. The accompanying drawings show in

Fig. 1: den induktiven Stabsensor mit SchutzhülleFig. 1: the inductive rod sensor with protective cover

Fig. 2: eine Anordnung des Sensors am Schneidbrenner2 shows an arrangement of the sensor on the cutting torch

Fig. 3: die Darstsllung der Winkelverhältnisse.Fig. 3: the Darstsllung the angular relationships.

Für die Abstandsmessung kommt ein induktiver Stabsensor 1 nach dem Prinzip der Differentialmeßspule zum Einsatz, der gemäß Fig. 1 spannungsfrei in einer Schubhülle 2 geringer Wandstärke gehalten wird, die dem mechanischen Schutz des Stabsensors 1 dient. Als Werkstoff für die Schubhülle 2 kommt technisches Glas zum Einsatz, dessen hechfeste, temperaturbeständige und glatte Oberfläche wirksam den Einbrand von Schlacke verhindert und nach Behandlung mit einem Silikon-Trennmittel abweisend gegen Verschmutzungen und Dämpfe ist. Eine Verschiebung der Sensorkennlinie, die durch im Material der Schutzhülle vorhandene Anteile ferromagnetischer Stoffe eintreten kann, ist mit Hilfe bekannter elektronischer Schaltungen in der Sensorprimäretaktronik kompensierbar. Fig. 2 zeigt die Anordnung des Stabsensors 1 am Schneidbrenner 3. Der Stabsensor 1 ist mit seiner Schutzhülle 2 über eine Halterung 4 schwenkbar und verschiebbar gegenüber dem Schneidbrenner 3 und verschiebbar in Richtung der Sensorachse befestigt. Die Brennerachse ist unter einem Winkel von 30' gegenüber der im Schnittpunkt der Brennerachse mit der Werkstückoberfläche 5 errichteten Normalen zur Ausführung eines Schrägschnittes für eine entsprechende Schweißnahtvorbereitung geneigt. Dt 'Winkel des Stabsensors 1 zur Norma'on beträgt ebenfalls 30°. Die Sensorspitze befindet sich unmittelbar neben der Brennerdüse und hat einen Meßabstand Z₀ zur Werkstückoberfläche 5 von etwa 9mm. Mit dieser Anordnung ist der Sensor innerhalb einer Zone mit ausgeprägtem Temperaturminimum, die zwischen Brenncspitze und den an der Werkstückoberfläche reflektierten Anteilen der Schneidflamme entsteht, positioniert. In Fi-. 3 ist dieser für die Senäoranordnung relevante Bereich des praktischen Flammenschattons mit dem Winkel α' geker. -zeichnet. Bedingt durch die Ablen' ung der von der Schnittkante reflektierten Flammen durch das Schneidgasgemisch ist dieser Bereich größer als der geometrische Flammenschatten, der durch einen Winkel α begrenzt ist und die maximale Neigung der Sensorachse bestimmt. Für die Darstellung des konstruktiv bedingten minimalen Anstellwinkels von 20° zwischen Brenner- und Sensorachse wird von einer Brennerpositionierung in Richtung der Normalen zur Werkstückoberfläche ausgegangen.For the distance measurement is an inductive rod sensor 1 according to the principle of Differentialmeßspule used, which is held in accordance with FIG. 1 stress-free in a sliding sleeve 2 low wall thickness, which serves the mechanical protection of the rod sensor 1. The material used for the sliding sleeve 2 is technical glass is used, the hechfeste, temperature-resistant and smooth surface effectively prevents the incineration of slag and after treatment with a silicone release agent repellent to contamination and vapors. A displacement of the sensor characteristic, which may occur due to existing in the material of the protective cover portions of ferromagnetic substances, can be compensated by means of known electronic circuits in the sensor primary acetonics. Fig. 2 shows the arrangement of the rod sensor 1 on the cutting torch 3. The rod sensor 1 is mounted with its protective cover 2 via a holder 4 pivotally and slidably relative to the cutting torch 3 and slidably in the direction of the sensor axis. The burner axis is inclined at an angle of 30 'with respect to the normal at the intersection of the burner axis with the workpiece surface 5 normal for performing a diagonal cut for a corresponding weld preparation. Dt 'angle of the rod sensor 1 to Norma'on is also 30 °. The sensor tip is located directly next to the burner nozzle and has a measuring distance Z ₀ to the workpiece surface 5 of about 9mm. With this arrangement, the sensor is positioned within a zone of pronounced temperature minimum arising between the firing tip and the portions of the cutting flame reflected at the workpiece surface. In fi. 3, this region of the practical flame shading, which is relevant for the sensor assembly, is knurled at the angle α '. -zeichnet. Due to the deflection of the flames reflected by the cutting edge through the cutting gas mixture, this area is larger than the geometric flame shadow, which is limited by an angle α and determines the maximum inclination of the sensor axis. For the representation of the design-related minimum angle of attack of 20 ° between the burner and sensor axis is assumed by a burner positioning in the direction of the normal to the workpiece surface.

Durch die beschriebene Anordnung kann ein induktiver Stabsensor mit minimalstem Wärmeschutz im optimalon elektrischen Arbeitsbereich betrieben werden. Durch Sensierung des unmittelbaren Schneidbereiches wird die insbesondeie für das Brennschneiden mit geneigtem Brenner erforderliche Gena jigkeit der Abstandsmessung und damit die für eine Sdi<veißnahtvorbereitung notwendige Meßgenauigkeit und Linearität des Brennschnittes erreicht. Die hinsichtlich der Temperaturverhältnisse vorteilhafte Anordnung eines induktiven Stabsensors führt in Verbindung mit der eingesetzten Schutzumhüllung zu einer Verringerung der Wartungsarbeiten am Sensor und zur Standzeiterhöhung des gesamten Führungssystems.By the described arrangement, an inductive rod sensor can be operated with minimum thermal protection in optimalon electrical workspace. By sensing the immediate cutting area, it is possible to achieve the distance measurement required especially for flame cutting with an inclined burner, and thus the measurement accuracy and linearity of the flame cutting necessary for the preparation of the weld. The advantageous in terms of temperature conditions arrangement of an inductive rod sensor leads in conjunction with the protective sheath used to a reduction in maintenance on the sensor and to increase the service life of the entire management system.

Claims

1. An arrangement for contactless measurement of the Abstendes a cutting torch from the workpiece surface, consisting of a sensor connected to the burner, in particular for flame cuts for weld preparation with inclined burner, characterized in that a per se known inductive rod sensor (1) with its sensor tip about in height and immediately adjacent to the nozzle exit opening of the cutting torch (3) is arranged in the plane established by the burner axis and by the intersection of the burner axis with the workpiece surface (5) certain plane whose sensor axis is inclined opposite to the burner axis to an angle, the corresponds to the inclination angle of the burner axis, wherein the angle between the sensor axis and Brennerachuo is at least 20 °.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the rod sensor (1) is arranged in the plane determined by the burner axis and the normal plane and pivotally relative to the cutting torch (3) and displaceable in the direction of the sensor axis.