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Einrichtung zur Steuerung von. W;Lderstand§schweiflmasohinen Die Erfindung
bezieht sich auf" eine Einrichtung zur Steuerung von Wdorstandseehweißmasehin®n,
insbesondere Punktschweißtukterna
Die Steuerung von Widerstandseehweißmaschinen
erfolgt.gewöhn-*-lieh mit Ignitronechwei$taktern.. An diesen werden -
wie bekannt - vor der Schweißung die werte für die Vorpreßzeit,'die
Stxozzeit (Schweißzeit), den Zündwinkel und die Nachpreßzet usw. fest eingestellt.
Durch elektronieche.Bauelemente bzw. Bausteine mit Halbleitern ist so gelungen)
die Arbeitsweise solcher T akter weitgehend zu präzisieren, so daß z.B. ein
sicheres Auszählen der Perioden des speisenden Wechselstromnetzes, mit denen
die Schweißzeit bestimmt wird, gewährleistetist.
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Von der Zuverlässigkeit der elektronischen Zeitbesfimmung bei
einem solchen Schweißtakter kann jedoch nicht auf die Güte der Schweißung geschlossen
werden. Das dem Takter eingegebene Programm für den Ablauf der Schweißung
atuß sich zwangsläufig nach festen einsteilbaren Größen richten. Die Güte der Schweißung
hängt jedoch in starkem Maße von den sogenannten externen
Ver-
änderlichen ab, die durch das vorgegebene Programm nicht erfaßt
werden können. Ale solche externe Veränderliche sind bemerkenswert:
1.) Änderungen der Blechstärke, 2.) Verunreinigungen der Gutoberflächen, 3.) Abnützung
(Pilzförmigwerden) der Elektroden, 4.) Netspannungsechwankungen, 5.) Nebenschluß
infolge ungenügender Schweißpunktabstände, 6..) Randschweißungen, 7.) Schwankungen
der Elektrodenkraft, _E3.) Änderungen der sekundären Impedanz z.8. durch Einbringen
größerer Blechstücke als Schweißgut, 9.) Viel--Blech-Schweißungen.
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. @, @n C3F@@ü
Die Beachtungder vorstehenden
Kriterien erforderte, *aß man die grundlegenden Sohweißbedingungen
laufend überwachen. mute
und beispielsweise für das Nachdrehen der
Elektroden:, daa Reinigen der-Blechei das Überprüfen der Blektrodenkraft us.f zu
sorgen hatte, wenn gute Schweißergebnisse erzielt werden
sollten.
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Die Erfindung macht es eich zur Aufgabe, die ständige Beobachtung
der vorstehbnd erläuterten Veränderlichen entbehrlich zu
machen, Hedienungspersonal.einzusparen
und die Schweißvorbereitungen mittelbar zu automatisieren. Dabei liegt der Erfindung
die Erkenntnis zugrunde.? daß die bisherige aufwendige Kompeneation der Veränderlichen
durch eine viel weniger*aufwendge elektronische bzw. elektrische "Beobachtung" der
Schweißpunktformierung mit Rückmeldung an den Schweißtakter zum angestrebten Ziel
führt, wobei das Rückmeldesignal an den Schweßtakter eine Aussage über die Qualität
der S:chweißung enthält. Der Er- -findung liegt weiter die Erkenntnis zugrunde,
daß ein solches Signal durch Erfassen und Auswertendes zeitlichen Verlaufs des Schweißpunktwiderstandes
während einer Sohweigüng gewonnen wer-
den kann. -Demgemäß besteht
die Erfindung: darin, daß zur Ausachaltung des Einflusses von externen Veränderlichen
auf die Schweißgüte die Stromzeit (Schweißzeit) durch elektronische Neß-
und Vergleichsmittel in Abhängigkeit von den Größen Schweißstrom, Schweißspannung
und Wide=rstand zwischen den Schweißelektroden in der Weise selbsttätig eingestellt
wird, daß das Verhältnis der Größe des Widerstandes zwischen den auf Blas Schweißgut
aufgepreßten Elektroden
bei Beendigung der Schweißzeit im Vergleich
zum Maximalwert dieses Widerstandes zu Beginn der Schweißzeit für alle Schweißperioden
konstant gehalten wird.
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R = Widerstand, RA = Widerstand beim Abschalten, RM = Widerstands.
Maximum.) Die erfinderische Zehre, als Kriterium einer Schweißung den "prozentualen
Widerstand"
heranzuziehen, sichert gleichmäßige Schweißgüte. Ist der prozentuale Widerstand
bei allen Schweißungen einer Serienschweißung bekannt, so wird gewährleistet, daß
auch die Scherzugfestigkeit der einzelnen Schweißungen untereinander konstant ist.
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Nach einem weiteren.Iderkmal der Erfindung umfassen die elektronischen
Meß- und Vergleichsmittel einen Spannungsmesser zur Ermittlung der Elektrodenspannung,
einen der Primärseite des Schweift transformators zugeordneten, bei Strom-Null-Durchgang
der differenzierten Stromkurve des Primärstromes rvIeßimpulse liefernden Geber,
dessen Impulse dem Spannungsmesser zur Abfrage des momentanen Spannungswertes eingegeben
werden, einen dem Spannungsmesser nachgeschalteten, die abgefragte Spannung verstärkenden
und Ein-. gänge für die Abfrage des'Widerstandawertes eines magnetfeldabhängigen,
im Luftspalt einer induktiv vom Primärstrom beeinflußten Drossel angeordneten Widerstandes
aufweisenden Verstärker, dessen Ausgangesignalspapnungen einen den Spitzenwert
dieser Signalspannungen erfasnenden Speioherhondensator aufladen, dessen
Spitzenwert jeweils während einer vollständigen Schweißperiode
in
einem vorgebbaren Verhältnis verkleinert, gesteuert von den Meßimpul-sen zsrhackt,und
einer Vergleichsschaltung ein-:gegeben wird, die, gleichfalls vom Verstärkerausgang
argesteuert, dann und nur dann ein: Ausgangssignal einem eine die Schweißperiode
beendende Signalspannung abgebenden Ausgangsimpulsformer eingibt, wenn das Signal
am Verstärkerausgang in seiner.Amplitude kleiner ist als die verkleinerte Ausgangsspannung
des Speicherkondensators.
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Die Erfindung sei nachstehend anhand von 11 Figuren, die beispielsweise
Ausführungsformen veranschaulichen, erläutert. Zur Erfassung des zeitlichen Verlaufes
des Sehweißpunktwiderstandes während einer SchweBungmuß der Spannungsabfall zwischen
den Schweißelektroden sowie der Strom durch'die Elektroden gemessen werden: Der
Spannungsabfall zwischen den än: den Elektroden angebrachten Anschlüssen 1 und 2
wird -wie die Figur 1 zeigt - durch die Widerstände R E1, R E2 der Kupferelektrode,
durch die Widerstände RW1, R 2 der eingebrachten Werkstücke, durch die KQntaktwideretände
REwig REW2, zwischen r:lektrode und Werkstück, sowie durch den Kontaktwiderstand
Rww zwischen den Werkstücken hervorgerufen. Der Gesamtwderstand.Rg ist also (R
Ei + R E2
) + (RW1 +'-R W2) + (REW1 + REW2) + (RWW)#
Leiterschleife 1-11 - 2#-2 zusätzliche Spannungen, die das Meßergebnis
wesentlich beeinflussen, da die induzierte Spannung meist größer ist als die zu
messende. Es ergibt sich daraus die Forderung, die Messung des Spannungsäbfalles
an'den Elektroden auf diejenigen Zeitpunkte zu beschränken, zu denen die Änderungen
des Stromes minimal sind, d.@h. die Spannungsabfallmessung in den Scheitelwerten
des Stromes vorzunehmen. Die Meßdauer kann auf Bruchteile-einer Millisekunde festgelegt
werden, z.B. auf 0,4 ms. Während dieser Zeitspanne ist der Einfluß der induktiven
Komponente vernachläßigbar klein. Der Kurvenzug a in Figur 2 veranschaulicht den
typischen Verlauf der Elektrodenspannung Uel während einer Schweißung.
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Die an den Elektroden abgegriffene Spannung Uel ist gleich dem Produkt
aus dem sekundären Strom Is der Schweißmaschine und dem Gesamtwiderstand R9, d.h.
Uel = I$Rg. Für konstanten Strom
fleßeb beginnt, brechen die f[ontaktwiderstände. REW und Rww Figur
1) zusammen,: rund die Verunreinigungen auf den Oberflächen verschwinden: zum größten
Teil. Dieser Vorgang führt zu einem, steilen Abfalldes Gesamtwiderstandes R9. Infolge
starker Erwärmung des Schweißgutes steigt nun der Widerstand bis zu. einem Maximum
an. In diesem Zeitpunkt beginnt das Material zwischen den Elektroden zu schmelzen,
die Elektroden drücken sich etwas in das Blech ein, und der Schweißpunkt formiert
sich. Dieser Effekt äußert sich in einem langsamen Absinken des Gesamtwiderstandes
bis zum Ende der Schweißung.
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Als Kriterium für die Güte des Schweißpunktes dient - wie die Figur
3 veranschaulichen soll - der "prozentuale Widerstand". Die eingangs erwähnten externen
Veränderlichen wirken sich zum Teil erheblich auf die Steilheit des Widerstandsabfalls
aus. Wird zum Beispiel das zu schweißende Blech dünner, so verläuft die Kurve steiler.
B:ei fest eingestellter Stromzeit wird in diesem Falle auch im Zeitpunkt b abgeschaltet,
das heißt der prozentuale Widerstand wird größer. Bei zu kleiner Netzspannung, z.-3.
verläuft die Kurve wesentlich flacher, d.h bei Abschalten im Zeitpunkt b wird ein
zu kleiner prozentualer Widerstand erreicht:. Jede Abweichung vom .optimalen Viert
des prozentualen Widerstandes hat aber - wie erkannt wurde - eine Verschlechterung
der Scherzugfestigkeit zur Folge.
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Durch die Erfindung s11 die Stromzeit (Schweißzeit) so variiert Werden,
daß das Varhältnie R./R,9 also die Größe des Widerstandes im Abschaltaugenblick
(RA) zum Maximalwert (R.) konstant gehalten
wird, wobei also der
Schweißstrom im ersten vorex:-wähnten Beispiel bereits im-Zeitpunkt e, im zweiten
erst .1w r im Zeitpunkt b abgeschaltet wird.
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Im Zeitdiagramm a der Figur 4 ist die Schweißstrom-Kurvenform bei
Phasenanschnittsteuerung veranschaulicht; der Schweißstrom steigt im Hinblick auf
die großen Induktivitäten des Schweißtransformators, die einen Stromsprung nicht
zulassen, langsam an, und bildet eine verkürzte sinusähnliche Halbwelle, wie sich
aus dem Diagramm b der Figur 4 ergibt.
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Zur Erfassung des Maximums dieser Stromhalbwellen wird, wie-,--. der
Kurvenzug c der Figur 4 veranschaulicht, die Kurve differenziert. Der Null-Durchgang
der differenzierten Kurve kann dann elektronisch ausgewertet werden.
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Die Figur 5 veranschaulicht in schematischer Darstellung das Blockschaltbild
für die Meßwerterfassung und die Befehlsausgabe.
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Der Primärstrom der Schweißmaschine wird über den Stromwandler Si9I
in eine phasengleiche Spannung verwandelt. Die Nulldurchgänge der differenzierten
Spannung dienen zur Erzeugung der Meßimpulse ME (Figur 4c). Ein Zeitglied Z sperrt
für eine vorgebbare Zeit von etwa 50'ms die Auswertung, d.h. die Auswertung beginnt
erst bei Anstieg der Widerstandskurve gemäß Figur 3 im Zeitabschnitt o-a. Das Zeitglied
Z dient gleichzeitig zur .Löschung eines Speicherkondensators, dessen
Arbeitsweise später beschrieben wird. Mit den bleßimpulsen, die am Ausgang
der Meßimpulserzeugung
bE bei Y erscheinen, wird die Spannung
an den Schweißelektroden in der Spannungsmessung SM abgefragt. Dieses Ausgangssignal
gelangt auf den Impulsverstärker IV, der gleichzeitig über den den Primärstrom erfassenden
Stromwandler SWII die Stromgröße berücksichtigt. Der Maximalwert des am Ausgang
des Verstärkers IV erscheinenden, dem Widerstand des Schweißpunkten proportionalen
Signale wird von einem Spitzenwertspeicher SP festgehalten, im vorgegebenen Verhältnis
RA/RM (Figur 3) geteilt, und mit dem Momentanwert des Widerstandes in der Vergleichseinrichtung
V verglichen. Sinkt der Momentanwertdes Widerstandes unter den geteilten, im Speicher
SP gespeicherten Wert, so gibt die Vergleichsschaltung V ein Signal ab, das in der
nachgeschalteten, einen Impulsformer enthaltenden Ausgangsschaltung AI zu einem
Impuls bestimmter Höhe und Dauer geformt wird. Die in der Figur 5 veranschaulichten
elektronischen Meß- und Vergleichsmittel mögen im einzelnen--im Folgenden erläutert
werden:
der Transistor T2 gesperrt und stößt über die NOR-Stufe N1 die
Zeitstufe K2 an, welche die Meßimpulse ME (Figur 40 jeweils im Maximum der positiven
Halbwelle des Stromes bei Y abgibt. Damit der Transistor T2 nur im beabsichtigten
Moment gesperrt .wird, steuert der Transistor T3 mit Ausnahme der Dauer der positiven
Halbwelle des Stromes den Transistor T2 durch. Die Zeitstufe K1 die mit Beginn der
Schweißung anläuft, sperrt die Impulserzeugung über die NOR-Stufe Ni für eine einstellbare
Dauer, z.8. 50 ms. Damit ist der anfänglich steile Abfall des Gesamtwiderstandes
(Figur 3) ohne Einfluß auf die Auswertung. Die Spannungsmessung S1l (Figur 5) ist
in der Figur 7 veranschaulicht. Die Elektrodenspannung wird durch den Eingangsübertrager
ü vorverstärkt, imrGegentakt gleichgerichtet und über den Transistor T4 von dem
Meßimpuls bei Y abgefragt. Der in Impulse zerlegte zeitliche Verlauf der Elektrodenspannung
gelangt vom Ausgang am Kollektor des Transistors T4 auf den Eingang des Impuls-.
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verstärkers IV (Figur 5).
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e Der Impulsverstärker IV hat nicht nur die Aufgabe, die am Eingang
anliegende Spannung zu verstärken, sondern auch den Einfluß des Stromes zu berücksichtigen,
d.h..die Widerstandsgröße zu bilden. Zur Durchführung des Problems, den Verstärkungsfaktor
Wird-ein solcher magnetfeldabhängiger Widerstand in den Luftspalt
einer .Drossel eingefügt:, die von einem dem Schweißstrom propörtiönaleri Strom
durchflossen wird, so .folgt der Widerstand dieser -"Feldplatte" der dem Ström proportionalen
Induktion-im huftspalt entsprechend
der R/B-Kennlinie der Feldplatte. Bei
magnetischer Induktion biss zu einer Größe von etwa 3 kG verläuft-die Kennlinie"quädrätiech,
bei höheren Induktionen linear, wie die Figür 8.ver'anschaulicht. Der magnetfeldabhängige
Widerstand RF (Feldplatte) ist'in'den Rückkopplungszweig des Impulsv stärkörs, -IV'
gescha ltet',-ünci''beeinflußt dessen Spannungsv.erstärkungsfaktor, wie die Fgur9,''welche'den
Impulsverstärker IV im einzelnen veranschaulicht, erläutern soll. Der magnetfeldabhängge@
Widerstand RF (Feldp`lä-te)@-i-st dabei in den Luftspalt einer bros'sel -eingefügt,
inielche' röm durch den Stromwandler SWII untersetzten Primarstrom`durchflossen,-wrd.-Der
Eingang des Impulsverstärkers IV ist mit°Ve-, sein Ausgang mit Va'bezechnet; er
umfäßt die "iransistöreri- T5-"-bis T@, den einstellbaren Wider--:3tand=z ß@@ ;
sowie den magnetfel-däbhängigen Widerstand RF. Sein Spannungsverstärkungsfaktor
folgt der Gleichung
,m Ausgang VA des-Verstärkers IV erscheint der in Impulse zerlegte qualitative Verlauf
des Schweßpunktwiderstandes,Das Schaltbild des Spitzenwertspechers Sp und der Vergleichsschalteng
V (Figur 5) veranschaulicht die Figur 1.0. Der Maximalwett der dem Schweißpunktwideratand
entsprechenden Spannung sm Aus. gang VA des Impulsverstärkers IV wird über den Widerstand
R24, und die Diode D5 im Sptzenwertspeicher:, nämlich dem Kondensstor C4 gespeichert.
Eine Emitterfolgestufe mit den Transistoren T9 und
T10-sorgt für
einen hochohmigen Abschluß, so daß der Kondensator C4 genügend klein gewählt werden
kann, um von jedem der hießimpulse ME auf volle Spannung aufgeladen werden zu können.
Der durch die Widerstände R27, der einstellbar ist, und R2$ im einstellbaren Verhältnis
RA/RM geteilte Spitzenwert gelangt, durch den Transistor T10 und die NOR-Stufe N2
in Impulse zerlegt; an-die Basis des Transistors T11 der Vergleichsschaltung V.
Am Emitter dieses Transistors liegt die um etwa die Restspannung der Diode D3 und
der Transistoren T9 und T10 verminderte Spannung des Ausgangs VA des Impulsverstärkers
IV. Der Transistor T11 ist gesperrt, solange die Impulsreihe am Emitter größer ist
als die konstante Impulsreihe an der Basis dieses Transistors. Unterschreitet die
Kurve am Emitter das Potential der Basis, so entsteht am Kollektor des Transistors
T11 ein Signal, das.von der Ausgangsschaltung AI (Figur 5) weiterverarbeitet wird.
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Die Ausgangs-Impulsformerachaltung AI ist im wesentlichen in `der
Figur 11 veranschaulicht. Da der Spannungsunterschied am Ausgang Av der Vergleichsschaltung
V, also am Kollektor des Transistors T11 relativ klein ist, soll der dynamisch angesteuerte
Grenzwertmelder GM der Ausgangeimpulsformerschaltung AI eine möglichst kleine Hysterese
aufweisen. Anaprech- und Ruckkippwert mögen nur um 0,15 Volt differieren. Die Grundspannung
des Grenzwertmelders GM ist deshalb, wie die Figur 11 veranschaulicht, durch
eine Zenerdiode Zd spannungestabilisiert, wobei die Spannung am Eingang zweckmäßig
so eingestellt wird, daß der Ausgang des Grenzwertmelders GM bei fehlender (abgeklemmter)
Ausgangsspannung Av der Vergleichsschaltung 1i gerade Null-Signal führt; diese
Justage
kann durch- das Potentiometer R33 erfolgen.
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Die der Elektrodenspannung entsprechenden Impulse weisen eine Dachschräge
bis zu 20% auf, wie die Figur 4a veranschaulicht. Ja der Speicherkondensator C4
(Ffgur 10) auf den Maximalwert der` Impulse aufgeladen wird-, könnten Fehlschaltungen
auftreten. Mit Hilfe der Zeitstufe K3, di=e vom Punkt Y (Figur 5) angesteuert wird-,
Wird deshalb dafür gesorgt,. daB nur. etwa das erste -Viertel der Dauer der Meßimpulse
ME ausgewertet werden kann. Die Ausgänge der Kippstufen K3 und des Grenzwertmelders
GM besetzen. deshalb die Eingange eines'.egierenden Undgattere NA (NAND-Gatter)
dessen Ausgang Uber das NOR-Gatte-fi N3 den Eingang dgx Kippstufe. .K4 besetzt,
welche den .Abschaltmpula für der Schweißtakter auf etwa 30 ms dehnt-.. Das
Ausgangssignal der Kippatufe K kann unmittelbar dem Ausgang A Bier Au@gungaßchaltung
Al zugeführt werden, oder - wie veransohäulieht - Uber ein zgeätzlichee Gatter und
eine Signalformerstufe SU 3.n ein in lkontaktlosen ßteuere@nrichfangen übliches
srstemgerechtee Signal verformt werden