DD300003A7

DD300003A7 - Verfahren zur Prozeßsteuerung an Plasmabrennern

Info

Publication number: DD300003A7
Application number: DD33990790A
Authority: DD
Original assignee: Zentralinstitut Schweiss
Priority date: 1990-04-20
Filing date: 1990-04-20
Publication date: 1992-05-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozeszsteuerung an Plasmabrennern fuer das Schweiszen/Schneiden mit uebertragenem Lichtbogen unter Ausnutzung der elektrischen Spannung des Plasmalichtbogens. Kennzeichnend fuer die Erfindung ist, dasz innerhalb eines hoechstens 20 ms langen Meszzyklus mehrmals die Teilspannungen zwischen Elektrode und Duese und zwischen Duese und Werkstueck und die Gesamtspannung zwischen Elektrode und Werkstueck gemessen und der jeweiligen Stromstaerke des Pilot- und/oder Hauptlichtbogens zugeordnet gespeichert werden, dasz die Prozeszsteuergroeszen "Plasmagasmenge" und/oder "Entladungsraumdruck" sowie "Vorschub" in ihrem Schalt- und Groeszenzustand erfaszt und als logische Groeszen gespeichert werden, dasz die gespeicherten Teilspannungen zwischen Elektrode und Duese sowie zwischen Duese und Werkstueck untereinander und summarisch sowie einzeln mit der Gesamtspannung oder Spannungsgrenzwerten verglichen werden, dasz die Vergleichsergebnisse mehrerer aufeinanderfolgender Meszzyklen miteinander und mit den zugehoerigen gespeicherten logischen Groeszen der Prozeszsteuergroeszen verglichen und die Ausgabegroeszen durch Signalisation oder Steuerbefehle verwertet werden.{Meszzyklus; Teilspannungen; Elektrode; Duese; Werkstueck; Gesamtspannung; Stromstaerke; Pilot-, Hauptlichtbogen; Prozeszsteuergroeszen; Spannungsgrenzwerte; Vergleichsergebnisse; logische Groeszen}

Description

Ziel der Erfindung Es ist Ziel der Erfindung, die Effektivität von Plasmabrennern zu erhöhen. Das Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem unter Ausnutzung der elektrischen Spannung des Plasmalichtbogens die Prozeßsteuerung an Plasmabrennern so gestaltet werden kann, daß neben Veränderungen der Höhe des Plasmabrenners über dem Werkstück andere technologische Störzustände am Plasmabrenner erkannt und korrigiert werden können.

Erfindungsgemäß wurde die Aufgabe unter Verwendung an sich bekannter Plasmaschneidbrenner für das Schweißen, Schneiden und ahnliche Verfahren mit übertragenem Lichtbogen sowie unter Auswertung der elektrischen Spannung des Plasmalichtbogens mittels elektronischer MeL- und Auswertungsmittel dadurch gelöst, daß innerhalb eines höchstens 20ms langen Meßzvklus' mehrmals die Teilspannungen zwischen Elektrode und Düse und zwischen Düse und Werkstück und die Gesamtspannung zwischen Elektrode und Werkstück gemessen und der jeweiligen Stromstärke des Pilot- und/oder Hauptlichtbogens zugeordnet gespeichert werden, daß die Prozeßsteuergrößen „Plasmagasmenge" und/oder .Entladungsraumdruck" sowie .Vorschub" in ihrem Schalt-und Größenzustand erfaßt und als logische Größen gespeichert werden, daß die gespeicherten Teilspannungen zwischen Elektrode und Düse sowie zwischen Düse und Werkstück untereinander und summarisch sowie einzeln mit der Gesamtspannung oder Spannungsgrenzwerten verglichen werden, daß die Vergleichsergebnisse mehrerer aufeinanderfolgender Meßzyklen miteinander und mit den zugehörigen gespeicherten logischen Größen der Prozeßsteuergrößen verglichen und die Ausgabegrößen durch Signalisation oder Steuerbefehle verwertet weiden.

Der Erfindung liegen die neuen Erkenntnisse zugrunde, daß sich

- das Ein- bzw. Abbrennen der Elektrode in wesentlich stärkerem Maße auf die Teilspannung zwischen Elektrode und Düse als auf die Gesamtspannung zwischen Elektrode und Werkstück auswirkt, wobei ein zeitlich gering negativer Spannungsgradient zu höheren Spannungen hin normales Abbrandverhalten im zulässigen Verschleißbereich und ein zunehmender zeitlich positiver Spannungsgradient zu geringeren Spannungen hin eine Lebensdauergrenze ankündigt infolge zusätzlicher thermischer Elektronenemission aus dem Elektrodengrundwerkstoff bei unveränderter Plasmagasmenge und unveränderten Entladungsraumdruck.

- das Ausbrennen der Düse in wesentlich stärkerem Maße auf die Teilspannung zwischen Elektrode uniKJüse als auf die Gesamtspannung zwischen Elektrode und Werkstück auswirkt, wobei das Ausbrennen der Düse an kurzzeitigen größeren negativen Spannungsgradienten zwischen Elektrode und Düse sowie gleichzeitigen positiven Spannungsgradienten an niedrigeren Spannungen zwischen Elektrode und Werkstück registriert wird und die Verschleißgrenze mit dem Unterschreiten einer Grenzspannung nach dem Auftreten eines solchen Spannungsgradienten registriert werden kann, wobei ein sich verringernder Entladungsraumdruck bei konstanter Plasmagasmenge ein zusätzlicher Hinwels auf den Düsenverschleiß ist.

- Änderungen der Höhe des Plasmabrenners in geringen zeitlichen positiven oder negativen Spannungsgradienten der Teilspa'.inung zwischen Düse und Werkstück auswirken, die jedoch relativiert größer sind als die gleichzeitigen gleichsinnigen zeitlichen Spannungsgradienten der Gesamtspannung bei unveränderter Teilspannung zwischen Elektrode und Düse sowie Plasmagasmenge und Entladungsraumdruck.

- beim Ansetzen von Metall- und Schlackespritzern in der Nähe der Düsenmündung stochastisch in größerem Umfang zusätzliche Elektronen aus der thermischen Emission aus dem Spritzer am Stromfluß beteiligen, was zu mehreren zeitlich kurzen jedoch starken positiven Spannungsgradienten der Teilspannung zwischen Düse und Werkstück führt bei gleichzeitigen wesentlich geringeren positiven Spannungsgradienten zwischen Elektrode und Düse bei unveränderter Plasmagasmenge und Entladungsraumdruck.

- beim Auftreten von Doppellichtbögen starke positive Spannungsgradienten zwischen Elektrode und Düse gleichzeitig mit weniger starken positiven Spannungsgradionten zwischen Düse und Werkstück auftreten und ebenfalls weniger stark positiven Spannungsgradienten der Gesamtspannung auftreten bei unveränderter Plasmagasmenge und verringertem Entladungsraumdruck.

Ausführungsbelspiel Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausfuhrungsbeispiel naher erläutert werden. Mittels an sich bekannten Meßmitteln werden an einem Plasmabrenner mit übertragenem Plasmalichtbogen (direkte Polung)

folgende Meßgrößen ermittelt:

UG: Gesamtspannung zwischen Elektrode und Werkstück, mit unterer Grenzspannung: X UT2: Teilspannung zwischen Elektrode und Düse UT1: Teilspannung zwischen Düse und Werkstück V: Plasmagasmenge P: EntladungsraumdruckfDruck des Plasmagases im Raum um das Elektrodenende) I: Stromstärke des Hauptlichtbogens I₀: Stromstarke des Pilotlichtbogens Y: Vorschub des Brenners in Schnittrichtung

Während des Schneidprozesses werden innerhalb eines 20ms langen Meßzyklus mehrmals dieTeilspannungen UT1 und UT2 sowie die Gesamtspannung UG gemessen und der Stromstärke I zugeordnet gespeichert. Gleichzeitig werden die Prozeßsteuergrößen V, P und Y in ihrem Schalt- und Größenzustand erfaßt und als logische Größen gespeichert. Die gespeicherten Teilspannungen UT1 und UT2 werden untereinander und summarisch sowie einzeln mit der Gesamtspannung UG und deren unterem Grenzwert X verglichen, wobei die Vergleichsergebnisse zweier aufeinanderfolgender Meßzyklen miteinander und mit den gespeicherten logischen Größen der Prozeßsteuergrößen verglichen werden.

In Boolischer Algebra ausgedrückt werden oabei durch den Prozeßmeß- und -auswertungsrechner die logischen Größen A, B, C, D, E, F, G und H wie folgt ausgegeben und gespeichert.

(UG > X) λ (AUG

((UG>X)a (AUG «0)-»A-1

(UG>X)a (AUG >0) -» B- 1

(UG > X) λ (AUG <0) -» S-O

AUT2 *0 -♦ C -0

AUT2 -0 -> C =1

AUT2 >0 -♦ D = 1

AUT 2 < 0 -» D - 0

AV = 0 -> E = 1

AV * 0 -♦ E = 0

ΔΡ =0 -» F = 1

AP *0 -♦ F -0

AY - 0 -♦ G - 1

AY *0 -* δ - 1

AUT1 > 0 -> H - 1

AUT1 <0 -♦ R -0

Die Auswertung der Speichergrößen erfolgt, in Boolischer Algebra ausgedrückt, mit nachgenannten Ausgabegrößen:

EaFaAaD -» Elektrodenverschleiß FaEaCaAaB -♦ Düsenverschleiß EaF a_B a_H a C -♦ Düsenabstand wird größer EaFaB_aH_aC —* Düsenabstand wird kleiner EaFaHaDaA-* Spritzer (Schlacke) an Düse EaFaHaDaB -> Doppellichtbogen

E -» Gasversorgungsstörung

5 -* Vorschubstörung

Di* *'isgabegrößen werden durch Signalisation oder entsprechende Steuerbefehle verwertet.

Claims

Verfahren zur Prozeßsteuerung an Plasmabrennern zum Schweißen, Schneiden und ähnlichen Verfahren mit übertragenem Plasmaüchtbogen unter Auswertung der elektrischen Spannung des Plasmalichtbogens, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines höchstens 20ms langen Meßzyklus' mehrmals die Teilspannungen zwischen Elektrode und Düse und zwischen Düse und Werkstück und die Gesamtspannung zwischen Elektrode und Werkstück gemessen und der jeweiligen Stromstärke des Pilot- und/oder Hauptlichtbogens zugeordnet gespeichert werden, daß die Prozeßsteuergrößen „Plasmagasmenge" und/oder ,,Entladungsraumdruck" sowie „Vorschub" in ihrem Schalt- und Größenzustand erfaßt und als logische Größen gespeichert werden, daß die gespeicherten Teilspannungen zwischen Elektrode und Düse sowie zwischen Düse und Werkstück untereinander und summarisch sowie einzeln mit der Gesamtspannung oder Spannungsgrenzwerten verglichen werden, daß die Vergleichsergebnisse mehrerer aufeinanderfolgender Meßzyklen miteinander und mit den zugehörigen gespeicherten logischen Größen der Prozeßsteuergrößen verglichen und die Ausgabegrößen durch Signalisation oder Steuerbefehle verwertet werden.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozeßsteuerung an Plasmabrennern für das Schweißen und Schneiden mit übertragenem Lichtbogen unter Ausnutzung der elektrischen Spannung des Plasmalichtbogens.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist bekannt, daß zur Regelung des Abstandes zwischen Brenner und Werkstückoberfläche die Plasmabogenspannung ausgewertet werden kann. Die Abhängigkeit der Plasmabogenspannung von der Brennerhöhe wird dabei durch eine monoton steigende Funktion beschrieben, wobei zum Schweißen und Schneiden hauptsächlich mit übertragenem Lichtbogen und Verbundelektroden gearbeitet wird.

In DE-OS 26 59188 wird vorgeschlagen, daß in einem Zeitpunkt, in den der Plasmabogen im vorgegebenen Sollabstand brennt, die Größe der Plasmabogenspannung als Sollwert in einen Sezugsspeicher eingegeben wird und daß danach die Bogenspannung weiter gemessen und mit diesem Sollwert verglichen wird. Das durch den Vergleich beider Spannungen erzeugte Signal wird unter Eingabe in eine Brennermotor-Höhenregelschaltung zur Regelung de« Abstandes zwischen Brenner und Werkstückoberfläche, der Brennerhöhe, verwendet.

Ein ähnlicher Vorschlag wird in der DE-OS 2706232 unterbreitet. Hier wird die einzuspeichernde Spannung über einen Analog-Digital-Wandler digitalisiert und in einen entsprechenden Speicher eingegeben. Der Vergleich von Soll· und Istwert erfo'gt in digitaler Form durch einen Mikroprozessor. Unter Verwendung dieses Mikroprozessors als Vergleicher zwischen dem gespeicherten Sollwert und dem momentanen Istwert der Bogenspannung ist es auch möglich, ein Abschaltsignal zu erzeugen, das dann entsteht, wenn der Brenner über das Werkstück hinaus bewegt wird. Dieses Abschaltsignal, welches durch das Verlöschen des Hauptlichtbogens und die damit verbundene große Änderung der Plasmabogenspannung auf Null bzw. das hohe Niveau der Leerlaufspannung ausgelöst wird, bewirkt dann, daß der Brenner In eine vorbestimmte Endstellung hochgefahren wird. Mit dieser Maßnahme wird gewährleistet, daß der Brennersupport bei Überfahren der Werkstückkante nicht nach unten .durchsackt".

In der DE-OS 2906751 wird gegenüber der vorgenannten Lösung der Analog-Digital-Wandler und der Speicher durch einen Oszillator und einen Zähler ersetzt. In den vorgenannten Lösungen wird ein Vergleich zwischen einem vorgegebenen Sollwert und dem momentanen Istwert der Plasmabogenspannung durchgeführt und mit der gegebenenfalls verstärkten Differenzspannung ein Brennerhöhenyerstellmotor angesteuert.

Um die aus dem hohen technischen Aufwand dieser Lösungen resultierende Ausfallhäufigkeit und technologische Unsicherheit zu verringern, wurde in der DD-PS 244 674 vorgeschlagen, die analoge Bogenspannung in an sich bekannter Weise auf einen Bruchteil ihres Wertes herabzusetzen und diesem Spannungsbruchteil eine konstante Kompensationsspannung entgegenzusetzen, derart, daß eine Differenzspannung fester Polarität mit unterer Grenze nahe Null gebildet wird. Die Kompensationsspannung ist somit etwa genau so groß wie der genannte Spannungsbruchteil einzustellen. Die Differenzspannung nahe Null wird dann verstärkt und danach wird die verstärkte analoge Differenzspannung zu einem Zeitpunkt, bei dem insbesondere Bogenleistung, Brennerabstand, Arbeitsgeschwindigkeit und Schweißgaszufuhr einem Sollwert entsprechen, in eines von wenigen möglichen unterschiedlichen binären Spannungssignalen als Festwert eingespeichert und sofort in eines von wenigen möglichen unterschiedlich großen analogen Signalen zurückverwandelt und dieses in an sich bekannter Weise während des gesamten Schweiß- oder Schneidvorganges mit der momentanen verstärkten analogen Differenzspannung verglichen, und daß mit dem aus dem Vergleich resultierenden Spannungssignal mit bekannten elektrischen und mechanischen Mitteln eine Abstandsregelung zwischen Brenner und Werkstück erfolgt. Mit gleicher Lösung soll auch möglich sein, unter Konstanthaltung dieses Brennerao Standes eine weitere Prozeßgröße, was sich offensichtlich auf die oben genannte Bogenleistung oder die Arbeitsgeschwindigkeit oder die Schweißgaszufuhr bezieht, zu regeln.

Der Nachteil der bekannten Lösung zur automatischen Steuerung von Plasmaschneidanlagen unter Ausnutzung der elektrischen Plasmabogenspannung besteht darin, daß zwar eine ausreichende Steuerung einer Prozeßgröße, insbesondere des Brennerabstandes, möglich ist, daß jedoch technologische Störzustände nicht als solche erkannt werden, sondern deren Auswirkungen auf die Plasmabogenspannung als Abstandänderungen zwischen Brenner und Werkstückoberfläche sensiert und ausgesteuert werden, was einer Fehlinterpretation entspricht und in der Regel zur Zerstörung des Brenners führt. Solche technologischen Störzustände treten ein, wenn z. B. ein sogenannter Doppellichtbogen auftritt, odor Elektrode und/oder Düse über ein bestimmtes Maß hinaus verschleißen, d.h. ausbrennen, wenn die Kühlung von Elektrode und/oder Du se-nachläßt, wenn die Plasmagasmenge unter einen zulässigen Grenzwert abfällt oder wenn sich an der Düse in erhöhtem Metnil-oder Schlackespritzer absetzen.