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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.
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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 schneiden 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.
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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.
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Ein bekannter Durchflussregler zum Regeln der Durchflussmenge eines Fluids, insbesondere eines Gases, (
EP 0824 232 B1 ) weist u. a. ein stromaufwärts einer Durchflussöffnung gelegenes Regelventil auf, dessen Ausgangsdruck mittels eines Druckreglers auf einen konstanten Wert geregelt wird. Hierzu ist am Ausgang des Regelventils ein Druckmesser angeordnet, dessen Messwert einer Durchflussmengen-Berechnungsschaltung zugeführt ist. Letztere berechnet aus dem gemessenen Druckwert eine Durchflussmenge, die einer Temperaturkorrektur unterzogen wird. Die korrigierte Durchflussmenge wird in einem Komparator mit einer vorgegebenen Durchflussmenge verglichen und der Differenzwert von der Durchflussmengen-Berechnungsschaltung als Steuersignal an den Steuereingang des Regelventils gelegt. Mittel einer Druckvergleichs- und Rechenvorrichtung wird sichergestellt, dass der Fluiddruck stromaufwärts der Öffnung, also am Ausgang des Regelventils, kleiner ist als das 0,7-fache des Fluiddrucks stromabwärts der Öffnung. Letzterer Druck wird mit einem zweiten Druckmesser erfasst, der am Ausgang eines stromabwärts der Öffnung gelegenen zweiten Regelventils angeordnet ist. Der vom zweiten Druckmesser gemessene Druckwert wird der Druckvergleichs- und Rechenvorrichtung zugeführt, deren Ausgangsgröße als Steuersignal an dem zweiten Regelventil liegt.
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Bei einer bekannten Vorrichtung zu Herstellung eines Gasgemisches mit einer vorbestimmten Eigenschaft aus mehreren Gaskomponenten mit unterschiedlichen Eigenschaften (
DE 37 24 846 A1 ) wird der Zufluss der Gaskomponenten zu einer Mischkammer mittels Regelventile so bestimmt, dass das aus der Mischkammer ausströmende Gasgemisch die gewünschte Eigenschaft aufweist. Hierzu ist jedem Regelventil ein Durchflussmesser nachgeordnet und ein Durchflussregler zugeordnet, der aus dem vom Durchflussmesser am Ausgang des Regelventils gemessenen Durchfluss-Istwert und einem vorgegebenen Durchfluss-Sollwert eine Stellgröße für das Regelventil generiert. Im Gasstrom einer jeden Gaskomponente ist außerdem eine Messeinrichtung zur Messung des Brennwerts angeordnet. Aus den von den Durchflussmessern gemessenen Durchflussmengen und den Brennwerten kann der Durchfluss und der Brennwert des die Mischkammer verlassenden Gasgemisches ermittelt werden. Um das Einhalten eines zulässigen Bereichs des Ausgangsdrucks des Gasgemisches am Ausgang der Mischkammer zu gewährleisten, wird der Ausgangsdruck mittels eines Druckmessers gemessen und der gemessene Druckwert den einzelnen Durchflussreglern zugeführt. Die Durchflussregler sind als Grenzdruckregler mit einem oberen und unteren Druckgrenzwert ausgebildet. Solange der Druck innerhalb der vorgegebenen Druckgrenzen bleibt, sind für die Durchflussregelung allein die Durchfluss-Sollwerte maßgebend. Erreicht der gemessene Ausgangsdruck aber einen der beiden Druckgrenzwerte, werden die Durchflösse der Gaskomponenten mittels der Regelventile so geregelt, dass die Druckgrenzwerte eingehalten werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Dosiervorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die eingestellte Dosierung o-line überwacht und auftretende Fehler sofort erkannt werden.
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Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung hat den Vorteil, dass der Dosierprozess wahlweise auf Basis eines konstant ausgeregelten Drucks oder auf Basis einer konstant ausgeregelten Durchflussmenge pro Zeiteinheit durchgeführt werden kann, 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 Druckregelung, also der Regelung des die Dosierung bestimmenden Ausgangsdrucks des Regelventils, überwacht die Auswerteschaltung eine für die Dosierung wesentliche weitere Größe, nämlich den Durchfluss des strömenden Mediums. 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. Während der Durchflussregelung überwacht die Auswerteschaltung dann den Druck am Ventilauslass als für den ordnungsgemäßen Dosierprozeß charakteristische weitere Größe. Ändert sich der Druck, so ist dies wiederum ein Zeichen, dass sich ein Dosierparameter, z. B. Düsendurchmesser oder Dosierabstand, geändert hat. Bei signifikanter Änderung der Überwachungsgröße ”Durchfluss” im Falle der Druckregelung bzw. der Überwachungsgröße „Druck” im Falle der Durchflussregelung gibt die Auswerteschaltung ein entsprechendes Warn- oder Fehlersignal aus, so dass der Bearbeitungsprozess sofort gestoppt und die Fehlerursache behoben werden kann, somit keine 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.
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Zweckmäßige Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild einer Dosiervorrichtung zum Dosieren von Schneidgas in einer maschinellen Gas- oder Autogen-Schneideinrichtung,
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2 ein Schaltbild einer Regelelektronik der Dosiervorrichtung in 1
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Die in 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 11 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.
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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 Ventilauslass 172 nachgeordneten bzw. in der Druckleitung 18 angeordneten Durchflussmesser 21. In der Regelelektronik 16 (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 23 zusammengefasst, die über eine Stromversorgungsleitung 26 von der Maschinensteuerung 14 eine Versorgungsspannung erhält. Die Auswerteschaltung 23 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 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.
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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 Ventilauslass 172 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.
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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 23 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
