DE1765359C - Elektroden Vorschubsregelung fur Lichtbogen Gasstrahlbrenner - Google Patents
Elektroden Vorschubsregelung fur Lichtbogen GasstrahlbrennerInfo
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Description
Das Fugenhobeln mit einem Lichtbogen-Gassirahlbrenner
ist bekannt. Für den Gasstrahl kann da- :ϊο
für entweder ein neutrales Gas, z. B. Argon, ein oxydierendes Gas. z. B. Sauerstod, oder ein schwach oxydierendes,
in erster Linie aber mechanisch wirksames Gas, z. U. Luft, verwendet werden. Insbesondere ist
das Fugenhobeln mit dem Lichtbogcn-Druckluftbrcn- |.j
11er bekannt in der Form eines von Hand geführten Geräte;;. 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 1 land
nicht gelingt, den Abtrag so gleichmäßig zu machen, daß die gewünschte Geselligkeit erhalten werden
kann. Daher wurden Werkstücke, die für eine mechanische Bearbeitung zu hart waren, bisher durch
Schleifen bearbeitet, obwohl das Fugenhobeln mit einem Lichtbogeii-Gasstrahlbrenner eine schnellere
und wirksamere Bearbeitung gewährleistet hätte.
Beim Lichtbogen-Brennschneiden, d.h. beim \ollständigen Trennen eines Metallteils durch eine
schmale, son der Vorderseite bis zur Rückseite durchgehende F'uge mit einem Inerigas-Schweißbrenncr ist
die maschinelle Ausführung des Brennschnitts üblich.
Bei Verwendung einer abschmelzenden Elektrode muß diese laufend nachgeschoben werden. Bei den ßo
mit Inertgas aibeitenden Maschinen ist hierzu bekannt,
Stromquellen mit nahezu konstanter Spannung zn verwenden, um die Lichtbogenlänge auf einem gewünschten
Wert zu halten. Bei einer Stromquelle mit stark fallender Strom-Spannungscharaktcristik ist ferner
bekannt, den Elektrodenabstand vom Werkstück durch Vergleich der Lichtbogenspannung mit einer
Bezu;>sspannung auf konstante Größe zu regeln.
Hierzu 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 Abtriebswelle mit dem
Elektrodenvorschub gekoppelt ist.
Es ist ferner bekamu, eine konstante !..ichtbogenlänge
mittels einer Differenzspannung zwischen der Lichtboger.spannung und einei einstellbaren Bezugsspannimg
:-,: erzielen. Für den Elektrodenvorschub wird hierbei ein Leonard-Antrieb verwendet, wobei
die Feldwicklung des Leonard-Generators im Diagoivlzweig einer Brückenschaltung liegt, in dessen
eir.em Querzweig die Lichtbogenstrecke geschallet ist.
Das Bezugspotential wird an zwei anderen Querzweigen eingestellt. Abhängig von der Lichtbogenspannuiig
Hießt daher durch die Feldwicklung des Leonard-Generators kein Strom oder in einer der beiden Richtungen
ein Strom, um die Elektrode näher an das Vv'erks'ück heranzubringen oder von diesem zurückzuziehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Fugenhobeln mit Hilfe eines Lichtbogen-Gasstrahlbrenners für einen
maschinellen Einsatz zur Bearbeitung von Werlcuiikken
mit vorgegebene* Genauigkeit verwendbar zu machen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch die Anwendung der vom Lichtbogenschweißen bekann'en
Elektroden-Vorschubsrcgelung zur Konstanthaltung des Abstandes zwischen Elektrode und
Werkstück, bei der eine Vorschubeinrichtung die Elektrode in Abhängigkeit einer Differenzspannung
zwischen der Lichtbogenspannung end einer einstellbaren
Bezugsspannung vorschiebt und der Lichtbogen aus einer Stromquelle mit fallender Strom-Spannungscharakteristik
gespeist wird, Hi einem Lichtbogen-Gasstrahlbrenner zum maschinellen Fugenhobeln.
Bei der Erfindung ist von der Erkenntnis ausgegangen -vorden, 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 Gcneratorleistung bzw. die im Lichtbogen
verbrauchte Leistung ebenfalls konstant ist. Die konstante Leistung ist dabei ein genaueres Maß für
eine gleichmäßige Fugentiefe, al.1 der !Elektrodenabstand
selbst.
Das Werkstück wird unter dem Kopf eines Lichibogen-Gasstrahlbrenners
angeordnet, der einen Gasstrahl mit hoher Geschwindigkeit auf das Werkstück im Lich'.bogen-Brennfleek 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,
γ.. 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 l.ichtbogenspannung gesteuert wird, kann bei Stärkerem Strom ein gleichmäßigeres Hobeln erzielt
Werden, ohne daß der Lichtbogen zu kurz wird oder Ubreißt. Bei Material, das für andere Bearbeitimgsarlen
zu hart ist, kann dadurch mit einer Gleichmäßigen Ab'ragungstiefe geschnitten werden, oder es kann
durch wiederholte Hobelvorgange. wie Glätten oder !-"rasen, bis zu der gewünschten Tiefe abgetragen werden.
Die erforderliche Stromversorgung erfolgt aus einer Stromquelle mit stark beiastungsabhängiger
Klemmenspannung, d. h. mit fallender Strom-Spanriungscharakteristik,
damit man während des ganzen Arbeitsvorganges eine von der Lichibogenlange abhängige
Spannung erhält, die erfißt und zur .Steuerung
des Abstandes der Elektrode zum Werkstück verwendet 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 g. ßere Vorteile bei Gleichstrom ■— mit umgekehrtem Vorzeichen bei Metallen
wie Titan, Wolfram und Stahl. Bei umgekehrter Polarität ist die Kohleelektrode als Anode positiv gegenüber
dem Werkstück. Die Versorgungsspannimg kann je nach 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 Eezugsspannung variiert, die im allgemeinen
unter 40VoIt liegt. Bei früheren Verfahren
wurde eine F3ezugsspannung 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 hunderstei Millimeter ein genauer Elektrodenabstand
eingestellt und dadurch ein genaues Hobeln und gleichmäßiger Slromfluß gewährleistet werden.
Die YorsehubregeluPi! der Elektrode, abhängig von
der l.ichtbogenspannung. erlaubt einen geringeren Abstand zwischen Elektrode und Werkstück, wodurch
wiederum ein stärkerer Strom und schnelleres Hobeln möglich wird. E.in geringerer Abstand zwischen
Elektrode und Werkstück. /.. B. von einem Bruchteil von Millimetern, konnte bisher leicht zum
Kurzschließen des Lichtbogens führen, wenn dieser Abstand auch nur geringfügig von eiern 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 Differenzspanrning zwischen der
erfaßten Spannung und 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. Hs wird
somit eine höhere Stromstärke bei niedrigerer l.ichtbogenspannung 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 Eriindung kann z. B. ein Transduktor verwendet werden, wobei
die Lichtbogenspannung an eine Wicklung des Transduktors gelegt wird. Eine weitere Wicklung führt
ίο einen Bezugsstrom, der einer festen, von einer Zenerdiode
abgeleiteten Spannung proportional ist und dem von der ersten Wicklung hervorgerufenen Feld im
Transduktorkern entgegenwirkt. Es kann noch eine ■ diine Wicklung mit einer geeigneten Potentionuierschaltung
vorgesehen sein, um den gegen den Strom der ersten Wickking wirksamen Bezugsstrom zu modifizieren.
Der Strom in der dritten Wicklung steuert die Empfindlichkeit und die Bezugsspannung, hei der
der Transduktor einen angeschlossenen Halbleiterschalter
für den Elektrodenantrieb öffnet oder schließt.
Ein zweiter Transduktor, ähnlich dem ersten. Imn
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 i;,i z. B. 0.5 Volt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nach-. folgend an Hand von Zeichnungen näher beschrieb.:!!
werden.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Lichtbogen-Gasstrahlbrenners;
F-Ig. 2 ist ein Querschnitt durch ein mit dem Ciasstrahlbrenner
nach Fig. 1 bearbeitetes Werkstück:
F i g. 3 ist ein Längsschnitt durch ein mit dem Gasstrahlbrenner bearbeitetes Werkstück;
F i g. 4 ist ein Schahbild einer Vorschubregelung für einen Gasstrahlbrenner, und
Fig. 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 dt m
für den jeweiligen Schneidvorgang erforderlichen Ab-.stand rollt.
Auf 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
oo lirennerkopf 14 von der Schiene 11 elektrisch isoliert
ist. Ein Elektrodenhalter 15 hält und fühn eine Elekirode
16. Die Verlängerung der Elektrode 16 ist bei 17 in einem Halterohr 18 gezeigt. Ein Werkstück 20 im
neben der Schiene II stationär angeordnet, während der Kopf 14 darüber hinwegbewegt wird. Die Fugen
21 und 22 sind bei getrennten Durchgingen der Elektrode
16 hergestellt wo-den.
Beim Fugenhobeln \on Metallen wird das Metall in der Fuge cfurch 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 Brennerknnf
14 befindet sich eine Luftdüse 28, durch die aus dem
Rohr 23 Luft in den Lichtbogen eingeführt wird, um
Jas schmelzende Metall aus der Fuge 21 wegzublasen.
In der Fig.2 und 3 ist eine Kohleelektrode 16 in
Relriebsstellung 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 riiit einer Genauigkeit 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 Halbleiterschalter!!. Leitungen 31 und 32 führen zu einer Wechselspannungsquelle mit abfallender
Strom-Spannungscharaktcristik. Ein Gleichrichter 33 speist den Stromkreis mit pulsierender Gleichspannung.
Eine Zenerdiodc 34 und ein zwischen die Leitungen 31 und 32 geschalteter Widerstand dienen als
Bezugsspannungsquelle. F.in Potentiometer 35 dieni zur Einstellung der Empfindlichkeit und liefert Strom
an eine Stcuerwicklung 46, 46' der Transduktoren. Widerstände 36 und 36' dienen als wahlweise betätigbarc
Steuermittel zur Bestimmung des Stroms oder der Spannung in den mittleren Steuerwicklungen 46,
46' der Transduktoren und der Steuerwicklungen 47, 47'. um einen Stromabglcich 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 Sleucrwicklungen
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 Potentiometer 35 angeschlossenen Ende der Empfindlichkeitssteuerwicklungen 46, 46'. Leitungen
und 42 verbinden die mit der Elektrode 16 bzw. dem Werkstück 20 verbundenen Anschlüsse 43 und 44 mit
den Enden der Wicklungen 45 und 45' der beiden Traiisdukloren. 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 Elekirodenvorschubs auf Grund einer zu häufigen
Umschaltung des umsteuerbaren Motors 54 für den
ίο Elektrodenvorschub zu verhindern, dessen Wicklungen
52. 53 über Leitungen 49, 50, 51 mit den nicht bezeichneten Halbleiterschalter!! verbunden sind. Die
Eleklrodeneinstellung gehl genügend schnell voi jich,
um die Elektrode den Konturen des zu bearbeitenden Materials folgen zu lassen, z. B. bei einer vorgezogenen
Platte oder einem Werkstück von uniegclmüßiger Form. In ein rotierendes und gleichzeitig vorwärtsbewegtes
zylindrisches Werkstück kann ein grobes Gewinde eingeschnitten werden, und zwar mit einer Geschwiiuligkeit,
die um ein Vielfaches höher ist als bei bekannten Bearbeitungsarten.
Die Abtastung der Lichtbogenspannung und die Regelung des Elektrodenvorschubs durch die gezeigten
Mittel können mit Ansprechzeiten von wenigen tauseiiüstel 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 weiden die Ucrn Werkstück zuriächsi Hegenden Tcüc
am schnellsten verbraucht, so daß dem Elcktrodencndc 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-Forni. die an der Spitze etwas breiter ist als der
Durchmesser der Elektrode, und nicht gebogen, wie es bei einer im Verhältnis zum Elektrodendurchmesscr
flacheren Fuge der Fall ist. Die Lichlbogenspannung ist je nach Einstellung des Potentiometers 37 und'
oder durch Änderung der Widerstände 36 und 36' veränderbar.
Man erkennt, daß durch die beschricbc"c Schaltung
sowohl der Strom als auch die Spannung verstellt werden können, während e'.ne gleichmäßige Tiefe und
rasche Materialabtragung bei schwer schmelzbaren Metallen und für normale Bearbeitung zu harten Legierungen
erhalten wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Anwendung der vom Lichtbogenschweißen bekannten Eleklioden-Vorschubregelung zur
Konstanthaltung des Abstands /wischen Elektrode
und Werkstück, bei dir eine Vorschubeinrichtung
die Elektrode in Abhängigkeit einer DiF-feren/spannuiig
zwischen der Lichlbogenspannung und einer einstellbaren ßezugsspannung vorsciiiebt
und der Lichtbogen aus einer Stromquelle mit fallender Stromspannungscharakteristik gespeist
wird, bei einem Lichtbogen-Gasslrahlbrenner zum maschinellen Fugenhobeln.
2. Vorschubregelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung der
Stromquelle /wischen 35 und 45 Volt liegt, daß die einstellbare Be/ugsspannung im Bereich zwischen
38 und AU Volt liegt und daß die DifTerenzspaniuing
im wesentlichen im Bereich zwischen 0,5 Volt über und unter der Bezugsspannung
liegt.
3. Vorschubregelung iiL'cli Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück aus einer Metallplatte (20) besteht und die Elektrode
(16) darüher proportional zum Strom zwischen der Elektrode (16) und dem Werkstück bewegt
vird.
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