DE1765359B2 - Elektroden-vorschubsregelung fuer lichtbogen-gasstrahlbrenner - Google Patents

Description

Das Fugenhobeln mit einem Lichtbogen-Gasstrahlbrenner ist bekannt. Für den Gasstrahl kann dafür entweder ein neutrales Gas, z. B. Argon, ein oxydierendes Gas, z. B. Sauerstoff, oder ein schwach oxydierendes, in erster Linie aber mechanisch wirksames Gas, z. B. Luft, verwendet werden. Insbesondere ist das Fugenhobeln mit dem Lichtbogen-Druckluftbrenner bekannt in der Form eines von Hand geführten Gerätes. Ein derartiges Gerät kann jedoch nicht angewendet werden, wenn eine gewisse Genauigkeit verlangt wird, also z. B. bei Glättungs- oder Fräsvorgängen oder beim Schneiden grober Gewinde. Der Grund hierfür liegt darin, daß es bei einer Führung von Hand nicht gelingt, den Abtrag so gleichmäßig zu machen, daß die gewünschte Genauigkeit erhalten werden kann. Daher wurden Werkstücke, die für eine mechanische Bearbeitung zu hart waren, bisher durch Schleifen bearbeitet, obwohl das Fugenhobeln mit einem Lichtbogen-Gasstrahlbrenner eine schnellere und wirksamere Bearbeitung gewährleistet hätte.

Beim Lichtbogen-Brennschneiden, d. h. beim vollständigen Trennen eines Metallteils durch eine schmale, von der Vorderseite bis zur Rückseite durchgehende Fuge mit einem. Inertgas-Schweißbrenner ist die maschinelle Ausführung des Brennschnitts üblich.

Bei Verwendung einer abschmelzenden Elektrode muß diese laufend nachgeschoben werden. Bei den mit Inertgas arbeitenden Maschinen ist hierzu bekannt, Stromquellen mit nahezu konstanter Spannung zu verwenden, um die Lichtbogenlänge auf einem gewünschten Wert zu halten. Bei einer Stromquelle mit stark fallender Strom-Spannungscharakteristik ist ferner bekannt, den Elektrodenabstand vom Werkstück durch Vergleich der Lichtbogenspannung mit einer Bezugsspannung auf konstante Größe zu regeln.

Kisrzu wird ein Motor mit zur Bezugsspannung proportionalen Drehzahl und ein weiterer Motor mit zur Lichtbogenspannung proportionalen Drehzahl angetrieben. Die beiden Motoren arbeiten auf ein Ausgleichsrädergetriebe, dessen Abtriebsweife mit dem Elektrodenvorschub gekoppelt ist

Es ist ferner bekannt, eine konstante Lichtbogenlänge mittels einer Differenzspannung zwischen der Lichtbogenspannung und einer einstellbaren Bezugsspannung zu erzielen. Für den Elektrodenvorschub wird hierbei ein Leonard-Antrieb verwendet, wobei die Feldwicklung des Leonard-Generators im Diagonalzweig einer Brückenschaltung liegt, in dessen

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Das Bezugspotential wird an zwei anderen Querzweigen eingestellt. Abhängig von der Lichtbogenspannung fließt daher durch die Feldwicklung des Leonard-Generators kein Strom oder in einer der beiden Richtungen ein Strom, um die Elektrode näher an das Werkstück heranzubringen oder von diesem zurückzuziehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Fugenhobeln mit Hilfe eines Lichtbogen-Gasstrahlbrenners für einen maschinellen Einsatz zur Bearbeitung von Werkstükken mit vorgegebener Genauigkeit verwendbar zu machen.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch die Anwendung der vom Lichtbogenschweißen be kannten Elektroden-Vorschubsregelung zur Konstanthaltung des Abstandes zwischen Elektrode und Werkstück, bei der eine Vorschubeinrichtung die Elektrode in Abhängigkeit einer Differenzspannung zwischen der Lichtbogenspannung und einer einstellbaren Bezugsspannung vorschiebt und der Lichtbogen aus einer Stromquelle mit fallender Strom-Spannungscharakteristik gespeist wird, bei einem Lichtbogen-Gasstrahlbrenner zum maschinellen Fugenhobeln.
Bei der Erfindung ist von der Erkenntnis ausgegangen worden, daß — wenn bei einem Generator mit fallender Strom-Spannungscharakteristik der Lichtbogen die einzige Last darstellt und die Elektrode so eingestellt wird, daß die Lichtbogenspannung konstant ist — die Generatorleistung bzw. die im Lichtbogen verbrauchte Leistung ebenfalls konstant ist. Die konstante Leistung ist dabei ein genaueres Maß für eine gleichmäßige Fugentiefe, als der Elektrodenabstand selbst.
Das Werkstück wird unter dem Kopf eines Lichtbogen-Gasstrahlbrenners angeordnet, der einen Gasstrahl mit hoher Geschwindigkeit auf das Werkstück im Lichtbogen-Brennfleck richtet. Eine automatische Stelleinrichtung bewirkt das Zünden des Lichtbogens . .. durch Vorschieben der Elektrode zum Werkstück hin.

Sie zieht die Elektrode zurück, wenn die Lichtbogenspannung unter einen vorbestimmten Wert fällt. Ein Spannungs- und/oder Stromfühler erfaßt den Spannungsabfall am Lichtbogen als ein Eingangssignal für eine auf den Elektroden-Vorschub wirkende Elektroden-Vorschubregelung.

< Das Werkstück wird an der Elektrode mit einer ₍> gleichmäßigen Geschwindigkeit vorbeibewegt, z. B. auf einem Schlitten. Der Schweißkopf kann auch entlang einer Schiene parallel zu einem plattenförmigen Werkstück bewegt werden, unter Beibehaltung eines annähernd gleichbleibenden Abstandes der Elektrode vom Werkstück.
Beim Entfernen von Metall von einem Zylinder,

ζ. B. beim Gewindeschneiden, kann das zylindrische Werkstück unter der Elektrode rotieren, während es in dem der gewünschten Gewindesteigung entsprechenden Ausmaß weiterbewegt wird. Da bei der Erfindung der Elektroden-Vorschub in Abhängigkeit von der Lichtbogenspannung gesteuert wird, kann bei stärkerem Strom ein gleichmäßigeres Hobeln erzielt werden, ohne daß der Lichtbogen zu kurz wird oder abreißt. Bei Material, das für andere Bearbeitungsarten zu hart ist, kann dadurch mit einer gleichmäßigen iö Abtragungstiefe geschnitten werden, oder es kann durch wiederholte Hobelvorgänge, wie Glätten oder r.-s.-..-, w:„ ™ j..- p.-„-«„,.i,«»,. t:^i\. _ut_8VUaeu, weiden. Die erforderliche Stromversorgung erfolgt aus einer Stromquelle mit stark belastungsabhäneiger Klemmenspannung, d.h. mit fallender Strom-Spanmingscharakteristik. damit man während des ganzen Arbeitsvorganges eine von der Lichtbogenlänge abhängige Spannung erhält, die erfaßt und zur Steuerung des Abstandes der Elektrode zum Werkstück verwendel werden kann. Die Erfindung macht also von einer Stromquelle Gebrauch, die vorher bei Präzisionsarbeiten vermieden wurde, und macht sich deren Charakteristik zunutze, um eine größere Genauigkeit beim Hobeln zu erzielen.

Die Erfindung kann sowohl beim Fugenhobeln mit Wechselstrom als auch mit Gleichstrom betrieben werden, bietet jedoch größere Vorteile bei Gleichstrom — mit umgekehrtem Vorzeichen bei Metallen wie Titan, Wolfram und Stahl. Bei umgekehrter PoIarität ist die Kohleelektrode als Anode positiv gegenüber dem Werkstück. Die Versorgungsspannung kann je nac¹' der Belastung zwischen 35 und 45 Volt liegen, während die Bogenspannung vorzugsweise in dem Bereich zwischen 38,0 und 40,0 Volt gehalten und automatisch geregelt wird, wobei diese bis zu 0,5 Volt über und unter der Bezugsspannung variiert, die im allgemeinen unter 40VoIt liegt. Bei früheren Verfahren wurde eine Bezugsspannung von über 40 Volt benutzt, wobei sich entsprechend der nur ungefähren Einstellung der Elektrode durch mechanische Methoden oder Einstellung von Hand nach visueller Beobachtung des Lichtbogens stärkere Veränderungen der Lichtbogenspannung ergaben. Mit Hilfe der Erfindung kann mit einer Toleranz in der Größenordnung hunderstel Millimeter ein genauer Elektrodenabstard eingestellt und dadurch ein genaues Hobeln und gleichmäßiger Stromfluß gewährleistet werden.

Die Vorschubregelung der Elektrode, abhängig von der Lichtbogenspannung, erlaubt einen geringeren Abstand zwischen Elektrode und Werkstück, wodurch wiederum ein stärkerer Strom und schnelleres Hobeln möglich wird. Ein geringerer Abstand zwi- ' sehen Elektrode und Werkstück, ζ. Β. λόπ ^einem ' Bruchteil von Millimetern, konnte bisher leicht zum Kurzschließen des Lichtbogens führen, wenn dieser Abstand auch nur geringfügig von dem gewünschten Wert abwich, und zwar infolge von Unregelmäßigkeiten im Lichtbogen selbst oder auf der Oberfläche des Werkstücks. Durch eine z. B. elektronische Regelung jedoch, bei der eine Differenzspannung zwischen der erfaßten Spannung and der Bezugsspannung sofort zu Bewegungen der Elektrode im Sinne einer Wiederherstellung der Bezugsspannung führt, kann ein engerer Elektrodenabstand verwendet werden, ohne daß die Gefahr besteht, daß ein Kurzschluß auftritt oder der Lichtbogen bei zu großem Abstand erlischt. Es wird somit eine höhere Stromstärke bei niedrigerer Lichtbogenspannung erzielt. Die Hobelgeschwindigkeit wird proportional erhöht. Die GleichmäßigKeit der Fugentiefe wird außerdem stark verbessert, so daß sie annähernd einer groben maschinellen Bearbeitung entspricht.

Für eine Vorschubregelung nach der Erfindung kann z. B. ein Transduktor verwendet werden, wobei die Lichtbogenspannung an eine Wicklung des Transduktors gelegt wird. Eine weitere Wicklung führt einen Bezugsstrom, der einer festen, von einer Zenerdiode abgeleiteten Spannung proportional ist und dem von der ersten Wicklung hervorgerufenen Feld im

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dritte Wicklung mit einer geeigneten Potentioineterschaltung vorgesehen seiw, um den gegen den Strom der ersten Wicklung wirksamen Bezugsstrom zu modifizieren. Der Strom in der dritten Wicklung steuert die Empfindlichkeit und die Bezugsspannung, bei der der Transduktor einen angeschlossenen Halbleiterschalter für den Elektrodenantrieb öffnet oder schließt.

Ein zweiter Transduktor, ähnlich dem ersten, kann in der gleichen Weise angeschlossen sein, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen der ersten und zweiten Wicklung, so daß ein Anstieg und ein Abfall der Lichtbogenspannung berücksichtigt wird. Der Totbereich dieses Vorschubreglers ist z. B. 0,5 Volt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nachfolgend an Hand von Zeichnungen näher beschrieben werden.

F i g. 1 ist eine schematische Darstellung eines Lichtbogen-Gasstrahlbrenners;

F i g. 2 ist ein Querschnitt durch ein mit dem Gasstrahlbrenner nach F i g. 1 bearbeitetes Werkstück;

F i g. 3 ist ein Längsschnitt durch ein mit dem Gasstrahlbrenner bearbeitetes Werkstück;

F i g. 4 ist ein Schaltbild einer Vorschubregelung für einen Gasstrahlbrenner, und

F i g. 5 ist eine schematische Teilansicht des Antriebs für einen Elektrodenvorschub.

In F i g. 1 bezeichnet 10 einen Transportwagen, dessen Räder 13 in Schienen 11, 12 laufen, auf denen der Wagen mit gleichmäßiger Geschwindigkeit in dem für den jeweiligen Schneidvorgang erforderlichen Abstand rollt.

Aui dem Wagen 10 ist ein Brennerkopf 14 eines Lichtbogen-Gasstrahlbrenners angebracht, der die Vorschubeinrichtung für die Elektrode aufnimmt und die Spannung für die Elektrode heranführt, wobei der Brennerkopf 14 von der Schiene 11 elektrisch isoliert ist. Ein E'ektrodenhaUer 15 hält und führt eine Elektrode 16. Die Verlängerung der Elektrode 16 ist bei 17 in einem Halterohr 18 gezeigt. Ein Werkstück 20 ist neben der Schiene 11 stationär angeordnet, während der Kopf 14 darüber hinwegbewegt wird. Die Fugen 21 und 22 sind bei getrennten Durchgängen der Elektrode 16 hergestellt worden.

Beim Fugenhobeln von Metallen wird das Metall in der Fuge durch den Strom geschmolzen und durch einen unter hohem Druck stehenden Luftstrahl aus einem Rohr 23 entfernt, das mit einer nicht gezeigten Quelle in einem Steuergehäuse 24 verbunden ist. Bei 25 ist eine Stromquelle gezeigt, deren einer Anschluß mit dem Werkstück 20 und deren anderer Anschluß über den Brennerkopf 14 mit der Elektrode verbunden ist. An dem Gehäuse 24 befinden sich Steuerknöpfe 26 und Meßgeräte 27, durch die Spannung und der Strom gesteuert werden können. Im Brennerkopf

14 befindet sich eine Luftdiise 28, durch die aus dem Rohr 23 Luft in den Lichtbogen eingeführt wird, um das schmelzende Metall aus der Fuge 21 wegzublasen.

In der Fi g. 2 und 3 ist eine Kohleelektrode 16 in Betriebsstellung in der Fuge 21 des Werkstücks 20 gezeigt, wobei durch die Düse 28 ein Gasstrom auf das Werkstück 20 gerichtet wird, um das schmelzende Metall zu entfernen. Der Lichtbogen ist verhältnismäßig klein im Vergleich zur Fugentiefe. Eine Fuge von 10 bis 20 mm kann mit einer Cenauigkeit von etwa 0,5 mm oder besser ausgeführt werden. Die Elektrode steht während des Schneidens so weit in die Ausnehmung vor, daß die Länge des Lichtbogens ein kleiner Bruchteil der Schnittiefe ist.

Die Elektrode 16 wird durch einen Motor 54 der Vorschubeinrichtung bewegt. Der Motor 54 hat ein Zahnrad 55, das in Zahnräder 56 und 56' an der Elektrode eingreift, wodurch diese je nach der Drehrichtung des Motors entweder in Längsrichtung vorgeschoben oder zurückgezogen wird.

In F i g. 4 veranschaulicht eine Ausführung für eine Schaltung zur Vorschubregelung mit Transduktoren und Halbleiterschaltern. Leitungen 31 und 32 führen zu einer Wechselspannungsquelle mit abfallender Strom-Spannungscharakteristik. Ein Gleichrichter 33 as speist den Stromkreis mit pulsierender Gleichspannung. Eine Zenerdiode 34 und ein zwischen die Leitungen 31 und 32 geschalteter Widerstand dienen als Bezugsspannungsquelle. Ein Potentiometer 35 dient zur Einstellung der Empfindlichkeit und liefert Strom an eine Steuerwicklung 46, 46' der Transduktoren. Widerstände 36 und 36' dienen als wahlweise betätig· bare Steuermittel zur Bestimmung des Stroms oder der Spannung in den mittleren Steuerwicklungen 46, 46' der Transduktoren und der Steuerwicklungen 47, 47', um einen Stromabgleich im Bereich von 35 bis 45 Volt, vorzugsweise 38 bis 40 Volt, herzustellen. Ein Potentiometer 37 ist an die von der Leitung 32 und dem Gleichrichter 33 gebildete Spannungsquelle über die Leitung 38 angeschlossen und liefert über eine Leitung 39 eine veränderliche Spannung zur Erzeugung eines einstellbaren Bezugsstroms durch die Steuerwicklungen 47,47', der dem Strom in den die Lichtbogenspannung erfassenden Wicklungen 45, 45' entgegenwirkt. Eine Leitung 40 geht von der Leitung 32 über den Widerstand 36' ab und führt zu dem nicht an das Pontiometer 35 angeschlossenen Ende der EmpßndlichkcitssteuerwJGklungen 46, 46'. Leitungen 41 und 42 verbinden die mit der Elektrode 16 bzw. dem Wer!«tück 20 verbundenen Anschlüsse 43 und 44 mit den finden der Wicklungen 45 und 45' der beiden Transduktoren. Ein Widerstand 36" begrenzt den Strom der Wicklungen 45, 45'.

Zu den gestrichelt umrandeten, im wesentlichen die Transduktoren enthaltenden Teilen 48, 48', zu denen auch jeweils ein Halbleiterschalter gehört, werden zusätzlich nicht gezeigte Mittel verwendet, um entweder eine gleichzeitige Betätigung oder ein Pendeln des Elektrodenvorschubs auf Grund einer zu häufigen Umschaltung des umsteuerbaren Motors 54 für den Elektrodenvorschub zu verhindern, dessen Wicklungen 52, 53 über Leitungen 49,50,51 mit den nicht bezeichneten Halbleiterschaltern verbunden sind. Die Elektrodeneinstellung geht genügend schnell vor sich, um die Elektrode den Konturen des zu bearbeitenden Materials folgen zu lassen, z. B. bei einer vorgezogenen Platte oder einem Werkstück von unregelmäßiger Form. In ein rotierendes und gleichzeitig vorwärtsbewegtes zylindrisches Werkstück kann ein grobes Gewinde eingeschnitten werden, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die um ein Vielfaches höher ist als bei bekannten Bearbeitungsarten.

Die Abtastung der Lichtbogenspannung und die Regelung des Elektrodenvorschubs durch die gezeigten M. UeI können mit Ansprechzeiten von wenigen tausendstel Sekunden, z. B. 0,005 Sek. oder weniger, erfolgen, wobei die Fugentiefe bis auf 0,5 mm oder genauer gesteuert wird.

Beim Verbrauch der Kohleelektrode im Lichtbogen werden die dem Werkstück zunächst liegenden Teile am schnellsten verbraucht, so daß dem Elektrodenende ein glatt gerundetes Profil gegeben wird und das Werkstück ein entsprechendes Profil in der gehobelten Fuge erhält, nur mit einer etwas größeren Rundung. Zur Erzielung einer tieferen Fuge kann die Stromdichte auf einen entsprechend höheren Wert eingestellt oder das Werkstück langsamer am Lichtbogen vorbeigeführt werden. Bei einer ziemlich tiefen Fuge sind deren Seiten im wesentlichen gerade und von V-Fnrm, die an der Spitze etwas breiter ist als der Durchmesser der Elektrode, und nicht gebogen, wie es bei einer im Verhältnis zum Elektrodendurchmesser flacheren Fuge der Fall ist. Die Lichtbogenspannung ist je nach Einstellung des Potentiometers 37 und/ oder durch Änderung der Widerstände 36 und 36' veränderbar.

Man erkennt, daß durch die beschriebene Schaltung sowohl der Strom als auch die Spannung verstellt werden können, während eine gleichmäßige Tiefe und rasche Materialabtragung bei schwer schmelzbaren Metallen und für normale Bearbeitung zu harten Legierungen erhalten wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Anwendung der vom Lichtbogenschweißen bekannten Elektroden-Vorschubregelung zur Konstanthaltung des Abstands zwischen Elektrode und Werkstück, bei der eine Vorschubeinrichtung die Elektrode in Abhängigkeit einer Differenzspannung zwischen der Lichtbogenspannung und einer einstellbaren Bezugsspannung vorschiebt und der Lichtbogen aus einer Stromquelle mit fallender Stromspannungscharakteristik gespeist wird, bei einem Lichtbogen-Gasstrahlbrenner zum iiiaM-niiicin-ii rugcuiiuucin.

2. Vorschubregelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung der Stromquelle zwischen 35 und 45 Volt liegt, daß die einstellbare Bezugsspannung im Bereich zwischen 38 und 40 Volt liegt und daß die Differenzspannung im wesentlichen im Bereich zwischen 0,5 Volt über und unter der Bezugsspannung liegt.

3. Vorschubregelung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück aus einer Metallplatte (20) besteht und die Elektrode (16) darübt, proportional zum Strom zwischen der Elektrode (16) und d"m Werkstück bewegt wird.