DE10154352A1 - Dosiervorrichtung zum Dosieren eines strömenden Mediums - Google Patents

Abstract

Es wird eine Dosiervorrichtung (10) zum Dosieren eines strömenden Mediums mit einem im Mediumstrom angeordneten Regelventil (17) und einem Druckregler zur Regelung des Ventilauslaßdrucks angegeben, der aus einem von einem am Ventilauslaß (172) angeordneten Druckmesser (19) gemessenen Druck-Istwert und einem vorgegebenen Druck-Sollwert eine Stellgröße für das Regelventil (17) generiert. Zur Online-Erkennung von während des Dosierprozesses auftretenden Fehlern ist dem Ventilauslaß (174) ein Durchflußmesser (21) nachgeordnet, und eine an dem Durchflußmesser (21) angeschlossene Auswerteschaltung überwacht während der Druckregelung den vom Durchflußmesser (21) gemessenen Durchfluß und wertet diesen zwecks Fehlererkennung aus (Fig. 1).

Description

• Die Erfindung betrifft eine Dosiervorrichtung zum Dosieren eines strömenden Mediums, insbesondere von Schneid- oder Schutzgas bei der maschinellen Schneidbearbeitung von Werkstücken, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.
• Eine solche Dosiervorrichtung wird beispielsweise in Maschinen für die Schneidbearbeitung von Werkstücken zur Dosierung des erforderlichen Schneidgases beim Gas- oder Autogen-Schneiden oder zur Dosierung des erforderlichen Schutzgases beim Lichtbogen- und Laserschneiden eingesetzt. Zur Erzielung eines guten Schneidergebnisses muß dabei der Innendurchmesser der Schneid- oder Schutzgasdüse und der Abstand der Düse vom Werkstück, der sog. Dosierabstand, auf den Werkstoff und auf die Dicke des zu schneidenden Werkstücks abgestimmt und während des automatisch ablaufenden maschinellen Schneidprozesses bei einer Vielzahl aufeinanderfolgender Werkstücke eine auf diese Parameter angepaßte Dosierung des Schneid- oder Schutzgases eingehalten werden. Hierzu wird der Ausgangsdruck des Regelventils der Dosiervorrichtung mittels eines Druckreglers auf einen auf den Schneidprozeß individuell abgestimmten Solldruck eingeregelt.
• Diese Druckregelung führt aber nicht in allen Fällen zu einem optimalen Schneidergebnis, da sich beispielsweise der Düsendurchmesser der Schneid- oder Schutzgasdüsen verändern, z. B. durch Ablagerung oder Verschmutzung sich verkleinern, oder der Dosierabstand zwischen Schneid- oder Schutzgasdüse und Werkstück verändern kann, z. B. dadurch, daß ein dickeres oder dünneres Werkstück unter die Schneid- oder Schutzgasdüse verfahren wird. In diesen Fällen führt der durch Druckregelung auf den vorgegebenen Sollwert konstant gehaltene Arbeitsdruck des Schneid- oder Schutzgases zu einer Veränderung der Dosierung und damit zu einer Verschlechterung der Qualität des Schneidergebnisses, die erst nach einer größeren Ausschußmenge erkannt wird.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Dosiervorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die eingestellte Dosierung online überwacht und auftretende Fehler sofort erkannt werden.
• Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.
• Die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung hat den Vorteil, daß zusätzlich zur Regelung des die Dosierung bestimmenden Ausgangsdrucks des Regelventils eine weitere für die Dosierung wesentliche Größe, nämlich der Durchfluß des strömenden Mediums, überwacht und ausgewertet wird. Eine signifikante Änderung des Durchflusses deutet auf eine Veränderung eines der vorgegebenen und eingestellten Parameter für die Dosierung hin, z. B. bei dem eingangs erwähnten Schneidprozeß auf die Änderung des Düsendurchmessers und/oder des Dosierabstands zwischen Düse und Werkstück. Wird nunmehr aufgrund einer signifikanten Änderung der Überwachungsgröße "Durchfluß" von der Auswerteschaltung eine entsprechendes Warn- oder Fehlersignal ausgegeben, so kann der Bearbeitungsprozeß sofort gestoppt und die Fehlerursache behoben werden, ohne daß eine größere Ausschußmenge an schlecht bearbeiteten Werkstücken entsteht. In einer weiteren Ausbaustufe kann das von der Auswerteschaltung ausgegebene Fehlersignal auch zur selbsttätigen Korrektur des veränderten Parameters, z. B. des Düsendurchmessers und/oder des Dosierabstands herangezogen, werden.
• Zweckmäßige Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zusätzlich ein Durchflußregler zur Regelung der aus dem Ventilausgang ausströmenden Durchflußmenge des strömendes Mediums vorgesehen. Der Durchflußregler generiert aus einem vom Durchflußmesser gemessenen Durchfluß-Istwert und einem vorgegebenen Durchfluß-Sollwert eine Stellgröße für das Regelventil. Die Auswerteschaltung ist eingangsseitig an den Druckmesser angeschlossen und überwacht während der Durchflußregelung den vom Druckmesser gemessenen Druck und wertet diesen in gleicher Weise aus. Druck- und Durchflußregelung sind mittels der Auswerteschaltung wahlweise aktivierbar, die hierzu jeweils eine der vom Druck- und Durchflußregler generierten Stellgrößen auf das Regelventil aufschaltet. Durch diese Ausbildung der Dosiervorrichtung bietet sich die Möglichkeit, den Dosierprozeß wahlweise auf Basis eines konstant ausgeregelten Drucks oder auf Basis einer konstant ausgeregelten Durchflußmenge pro Zeiteinheit durchzuführen, je nachdem, was für den individuellen Dosiervorgang am geeignetsten erscheint. Beispielsweise ist bei einer großen Druckdifferenz zwischen dem Druck am Ventileinlaß und dem Druck am Ventilauslaß eine gleichmäßigere Dosierung mit einer Durchflußregelung zu erreichen, die dann über die Auswerteschaltung aufgerufen wird. Während der Durchflußregelung überwacht die Auswerteschaltung dann den Druck am Ventilauslaß als charakteristische Größe für einen ordnungsgemäßen Dosierprozeß. Ändert sich der Druck, so ist dies wiederum ein Zeichen, daß sich ein Dosierparameter, z. B. Düsendurchmesser oder Dosierabstand, geändert hat, und daß von der Auswerteschaltung ausgegebene Fehlersignal führt zu einer Kontrolle der Parameter und/oder einem Stopp des mit der Dosiervorrichtung gekoppelten Bearbeitungsprozesses, z. B. der Schneidbearbeitung der Werkstücke.
• Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Dosiervorrichtung zum Dosieren von Schneidgas in einer maschinellen Gas- oder Autogen- Schneideinrichtung,
• Fig. 2 ein Schaltbild einer Regelelektronik der Dosiervorrichtung in Fig. 1
• Die in Fig. 1 im Blockschaltbild dargestellte Dosiervorrichtung 10 für ein Schneidgas, als Ausführungsbeispiel für die Dosierung eines strömenden Mediums, wie Fluid, Gas oder kolloidale Lösung, wird zum Dosieren des einer Schneiddüse 10 zugeführten Schneidgases in einer maschinellen Gasschneideinrichtung eingesetzt, mit der der Maschine zugeführte Werkstücke 12 ausgeschnitten oder beschnitten werden. Das Schneidgas wird einer unter Hochdruck stehenden Schneidgasquelle 13 entnommen und über die Dosiervorrichtung 10 der Düse 11 mit einem Düsendurchmesser d zugeführt. Die Düse 11 befindet sich in einem definierten Abstand a, dem sog. Dosierabstand, oberhalb des zu schneidenden Werkstücks 12, das der Maschine automatisch zugeführt wird. Zur Erzielung eines optimierten Schneidergebnisses muß der Düsendurchmesser d, der Dosierabstand a sowie die der Düse 11 pro Zeiteinheit zugeführte, unter Druck stehende Gasmenge auf das Material und die Dicke des zu schneidenden Werkstücks 12 abgestimmt sein und während des Schneidprozesses unveränderlich beibehalten werden. Die Parameter Gasdruck, Gasmenge pro Zeiteinheit (Durchfluß), Düsendurchmesser d und Dosierabstand a sind in Zuordnung zu dem Werkstückmaterial und der Werkstückdicke in einer Maschinensteuerung 14 abgespeichert und werden bei der Schneidbearbeitung der der Maschine zugeführten Werkstücke 12 aufgerufen, so daß für den speziellen Schneidprozeß die Düse 11 mit dem vorgegebenen Düsendurchmesser d eingesetzt und der Dosierabstand a eingestellt werden kann, während die Sollwerte für Druck und Durchflußmenge über eine Datenleitung 151 einer Regelelektronik 16 der Dosiervorrichtung 10 zugeführt wird.
• Die Dosiervorrichtung 10 umfaßt neben der Regelelektronik 16 ein Regelventil 17 mit einem Ventileinlaß 171, einem Ventilauslaß 172 und einer Entlüftung 173, wobei der Ventileinlaß 171 mit der Schneidgasquelle 13 und der Ventilauslaß 172 über eine Druckleitung 18 mit der Düse 11 verbunden ist, ferner einen am Ventilauslaß 172 bzw. in der Druckleitung 18 angeordneten Druckmesser 19 und einen dem Ventilausgang 172 nachgeordnete bzw. in der Druckleitung 18 angeordneten Durchflußmesser 21. In der Regelelektronik 16 (Fig. 2) sind ein Druckregler 20, dem der vom Druckmesser 19 gemessene Druck-Istwert zugeführt ist, ein Durchflußregler 22, dem der vom Durchflußmesser 21 gemessene Durchfluß-Istwert zugeführt ist, und eine Auswerteschaltung 22 zusammengefaßt, die über eine Stromversorgungsleitung 26 von der Maschinensteuerung 14 eine Versorgungsspannung erhält. Die Auswerteschaltung 22 fragt über die Datenleitung 151 von der Maschinensteuerung 14 den vorgegebenen Druck-Sollwert und/oder den vorgegeben Durchfluß-Sollwert ab und führt den Drucksollwert dem Druckregler 20 und den Durchfluß-Sollwert dem Durchflußregler 22 zu. Der Druckregler 20 generiert aus dem Druck-Istwert und dem Druck-Sollwert und der Durchflußregler 22 generiert aus dem Durchfluß-Istwert und dem Durchfluß-Sollwert jeweils eine Stellgröße für das Regelventil 17. Die beiden Stellgrößen sind über die Ausgänge 201 und 202 des Druckreglers 20 und des Durchflußreglers 22 an den Eingängen eines elektronischen Umschalters 24 angeschlossen, dessen wahlweise auf die Eingänge 241 und 242 umschaltbarer Ausgang 243 mit einem elektrischen Steuereingang 174 des Regelventils 17 verbunden ist. Der elektronische Umschalter 24, der in Fig. 2 symbolisch durch einen mechanischen Umschalter dargestellt ist, wird von der Auswerteschaltung 23 gesteuert, so daß je nach Schaltstellung des Umschalters 24 die vom Druckregler 20 generierte Stellgröße dem Regelventil 17 zugeführt ist und die Dosiervorrichtung 10 mit Druckregelung arbeitet oder die von dem Durchflußregler 22 generierte Stellgröße dem Regelventil 17 zugeführt ist und die Dosiervorrichtung 10 mit Durchflußregelung arbeitet.
• Die Auswerteschaltung 23 ist eingangsseitig mit den Meßwertausgängen von Druckmesser 19 und Durchflußmesser 21 verbunden, so daß die jeweiligen Druck-Istwerte und Durchfluß-Istwerte in der Auswerteschaltung 23 zur Verfügung stehen. Wird über die Maschinensteuerung 14 der Betriebsmodus "Druckregelung" ausgewählt, so gelangt über eine Datenleitung 152 ein entsprechendes Steuersignal zusammen mit dem über die Datenleitung 151 vorgegebenen Druck-Sollwert an die Auswerteschaltung 23, die den Umschalter 24 auf den Ausgang 201 des Druckreglers 20 umschaltet und gleichzeitig den Druck-Sollwert an den Druckregler 20 legt. Der Druckregler 20 regelt das Regelventil 17 so aus, daß der Druck am Auslaß des Regelventils 17 konstant und - bis auf die unvermeidliche Regelabweichung - dem Druck-Sollwert entspricht. Die Auswerteschaltung 23 ist nunmehr so konzipiert, daß sie die von dem Durchflußmesser 21 gelieferten Meßwerte für die Durchflußmenge pro Zeiteinheit überwacht und in Hinblick auf evtl. Fehler im Dosierprozeß auswertet. Beispielsweise prüft die Auswerteschaltung 23 die Änderung des Durchflusses und gibt bei signifikanter Änderung des Durchflußwertes an seinem Ausgang 231 ein Fehlersignal aus, das über eine Datenleitung 153 der Maschinensteuerung 14 zugeführt wird und dort eine Warn- oder Störungsanzeige 25 auslöst. Alternativ kann die Auswerteschaltung 23 auch den von der Maschinensteuerung 14 gelieferten Durchfluß-Sollwert zum Vergleich mit den von dem Durchflußmesser 21 gelieferten Meßwerten heranziehen, wobei bei Auftreten einer signifikanten Differenz zwischen einem Mittelwert der Meßwerte des Durchflußmessers 21 und dem Durchfluß-Sollwert ebenfalls ein Fehlersignal generiert wird.
• Ein solches Fehlersignal macht in der Maschinensteuerung 14 kenntlich, daß durch Änderung des Durchmessers d der Düse 11 oder des Dosierabstands a die Schneidgas-Dosierung eine Veränderung erfahren hat, die zu einer Qualitätsverschlechterung des Schneidprozesses führt. Über die Maschinensteuerung 14 kann dieser Fehler festgestellt und eliminiert oder ggf. der Schneidprozeß abgebrochen werden. Ein positives Fehlersignal der Auswerteschaltung 16 steht dabei beispielsweise für einen Anstieg der zeitlichen Durchflußmenge, was auf eine Vergrößerung des Düsendurchmessers d oder des Dosierabstands a hinweist. Ein negatives Fehlersignal steht dann für eine Durchflußreduzierung, was die Verkleinerung des Düsendurchmessers d oder des Dosierabstands a signalisiert.
• Wird von der Maschinensteuerung 14 für bestimmte Rahmenbedingungen die Betriebsart "Durchflußregelung" ausgewählt, so schaltet die Auswerteschaltung 23 auf ein entsprechendes Signal der Maschinensteuerung 14 hin den Umschalter 24 so um, daß die Stellgröße des Durchflußreglers 22 auf den Steuereingang 174 des Regelventils 17 aufgeschaltet wird. Die Auswerteschaltung 23 ist so konzipiert, daß sie während der nun stattfindenden Durchflußregelung jetzt die vom Druckmesser 19 gelieferten Meßwerte überwacht und in gleicher Weise auswertet, wie die in der Betriebsphase "Druckregelung" von dem Durchflußmesser 21 gelieferten Durchfluß-Meßwerte. Bei signifikanter Änderung der gemessen Druckwerte bzw. signifikanter Differenz zwischen dem Druck- Sollwert und einem Mittelwert der Druckmesser-Meßwerte generiert die Auswerteschaltung 23 in der beschriebenen Weise das positive oder negative Fehlersignal, wobei das positive Fehlersignal, also eine Druckzunahme, für eine Reduzierung des Durchmessers d der Düse 11 oder des Dosierabstands a und ein negatives Fehlersignal, also eine Druckabnahme, für die Vergrößerung des Düsendurchmessers d oder des Dosierabstands a steht.
• Der Datentransfer zwischen Auswerteschaltung 23 und Maschinensteuerung 14 erfolgt bevorzugt über einen die einzelnen Datenleitungen 151, 152, 153 ersetzenden Datenbus 15, wozu die Regelelektronik 16 eine digitale serielle Busschnittstelle aufweist. Zusätzlich kann an der Regelelektronik 16 eine Diagnoseschnittstelle zum Anschluß eines Diagnosegeräts oder eines externen Inbetriebnahmegeräts vorgesehen werden. Im Diagnosegerät werden die Betriebszustände der Regelelektronik 16 angezeigt.
• Zum Steuern des Ventilauslasses 172 weist das Regelventil 16 einen Steuerschieber, hier nicht dargestellt, auf, der von einem Proportionalmagneten oder einem Schrittmotor mit Federrückstellung eingestellt wird. Das Regelventil 17 wird bevorzugt als dicht schließendes Sitzventil ausgebildet. Ein Beispiel für ein solches Sitzventil mit Proportionalmagneten ist in der DE 37 22 315 A1 beschrieben. Eine dort ebenfalls beschriebene Metallbalgabdichtung des Regelventils 17 wird beibehalten, da diese zu einem reibungsarmen Betrieb und einer langen Lebensdauer des Regelventils 17 beiträgt.
• Als Durchflußmesser 21 wird beispielsweise eine Meßblende oder Meßdüse verwendet, die nach dem Differenzdruck-Meßprinzip arbeitet. Auch Kurz- und Normalventurirohre sind zur Durchflußmessung geeignet. Solche Durchflußmesser finden sich in der DIN EN ISO 5167-1. Als Druckmesser werden Druck-Meßwerke verwendet, die den gemessenen Druck mit Hilfe eines Meßgrößenumformers in eine elektrische Übertragungsgröße umformen.
• Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Beispiel der Dosierung von Schneid- oder Schutzgas bei der maschinellen Schneidbearbeitung von Werkstücken beschränkt. So kann die Dosiervorrichtung z. B. auch in Lackierautomaten zur Dosierung der Farbe, die als kolloidale Lösung einer Sprühdüse zugeführt wird, mit gleichen Vorteilen eingesetzt werden.

Claims (14)

1. Dosiervorrichtung zum Dosieren eines strömenden Mediums, insbesondere von Schneid- oder Schutzgas bei der maschinellen Schneidbearbeitung von Werkstücken, mit einem im Mediumstrom angeordneten Regelventil (17), das einen Ventileinlaß (171) und einen gesteuerten Ventilauslaß (172) aufweist, und mit einem Druckregler (20) zur Regelung des Ventilauslaßdrucks, der aus einem von einem am Ventilauslaß (172) angeordneten Druckmesser (19) gemessenen Druck-Istwert und einem vorgegebenen Druck-Sollwert eine Stellgröße für das Regelventil (17) generiert, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ventilauslaß (172) ein Durchflußmesser (21) nachgeordnet ist und eine an dem Durchflußmesser (21) angeschlossene Auswerteschaltung (23) während der Druckregelung den vom Durchflußmesser (21) gemessenen Durchfluß überwacht und auswertet.

2. Dosiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Durchflußregler (22) zur Regelung der aus dem Ventilausgang (172) austretenden Durchflußmenge vorgesehen ist, der aus einem vom Durchflußmesser (21) gemessenen Durchfluß-Istwert und einem vorgegebenen Durchfluß-Sollwert eine Stellgröße für das Regelventil (17) generiert, und daß die Auswerteschaltung (23) eingangsseitig an dem Druckmesser (19) angeschlossen ist und während der Durchflußregelung den vom Druckmesser (19) gemessenen Druck überwacht und auswertet.

3. Dosiervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Druck- und Durchflußregelung mittels der Auswerteschaltung (23) wahlweise aktivierbar sind, die hierzu jeweils eine der vom Druck- und Durchflußregler (20, 22) generierten Stellgrößen auf das Regelventil (17) aufschaltet.

4. Dosiervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge (201, 221) von Druckregler (20) und Durchflußregler (22) an den Eingängen (241, 242) eines von der Auswerteschaltung gesteuerten Umschalters (24) angeschlossen sind, dessen auf die beiden Eingänge (241, 242) umschaltbarer Ausgang (243) mit einem elektrischen Steuereingang (174) des Regelventils (17) verbunden ist.

5. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (23) bei signifikanter Änderung der jeweiligen Überwachungsgröße (Durchfluß oder Druck) ein Fehlersignal generiert.

6. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (23) die jeweilige Überwachungsgröße mit einem vorgegebenen Sollwert vergleicht und bei signifikanter Differenz ein Fehlersignal generiert.

7. Dosiervorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fehlersignal eine Warn- oder Störungsanzeige (25) auslöst.

8. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß Druckregler (20), Durchflußregler (22) und Auswerteschaltung (23) zu einer Regelelektronik (16) zusammengefaßt sind, die eingangsseitig mit Druck- und Durchflußmesser (19, 21) und einer Maschinensteuerung (14) und ausgangsseitig mit dem elektrischen Steuereingang (174) des Regelventils (17) und der Maschinensteuerung (14) verbunden ist.

9. Dosiervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelelektronik (16) eine digitale, serielle Busschnittstelle zur Kommunikation der Maschinensteuerung (14) aufweist.

10. Dosiervorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelelektronik (16) eine Diagnoseschnittstelle zum Anschluß eines Diagnosegeräts aufweist.

11. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelventil (17) als Sitzventil mit Metallbalg- Abdichtung ausgebildet ist.

12. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelventil (17) eine lineare Regelkennlinie aufweist.

13. Dosiervorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelventil (17) einen an dem elektrischen Steuereingang (174) angeschlossenen Proportionalmagneten zur Steuerung des Ventilauslasses (172) aufweist.

14. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelventil (17) einen an dem elektrischen Steuereingang (174) angeschlossenen Schrittmotor mit Federrückstellung zum Antrieb eines den Ventilauslaß (172) steuernden Ventilglieds aufweist.