DE19756445C2

DE19756445C2 - Verfahren zur Überwachung des Verschleißzustandes einer Plasmabrennerdüse

Info

Publication number: DE19756445C2
Application number: DE19756445A
Authority: DE
Inventors: Martin Reinhold; Marc-Oliver Borck
Original assignee: Kjellberg Elektroden and Maschinen GmbH
Current assignee: Kjellberg Finsterwalde Plasma und Maschinen GmbH
Priority date: 1997-08-08
Filing date: 1997-12-18
Publication date: 2002-02-21
Anticipated expiration: 2017-12-19
Also published as: DE19756445A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Verschleißzustandes einer Düse eines Plasmabrenners mit rotierendem Plasmagas.

Plasmabrenner sind bekannte Werkzeuge in der thermischen Materialbearbeitung. Sie werden unter anderem zum Schneiden, Schweißen und Schmelzen eingesetzt. Das am weitesten verbreitete Verfahren ist das Plasmaschneiden. Plasmabrenner im Stand der Technik bestehen im wesentlichen aus einer Elektrode (Kathode), einer Düse, einer Einrichtung zur Kühlung der Düse und der Elektrode sowie einer Einrichtung zur Zuführung von Plasmagas. Darüber hinaus kann ein Plasmabrenner unter anderem eine Einrichtung zur Zuführung eines Wirbel gases sowie eine äußere Gaskappe z. B. zum Schneiden in Wasser umfassen. Das Plasmagas strömt an der Elektrode vorbei durch die gekühlte Düse und bildet in einer Lichtbogenentla dung das Plasma.

Nach der Lichtbogenführung unterscheidet man zwischen direkter und indirekter Betriebswei se des Plasmabrenners. In der direkten Betriebsweise (Plasmabrenner mit übertragenem Lichtbogen) brennt der Lichtbogen (Hauptlichtbogen) zwischen der Elektrode und einem als Anode gepolten Werkstück. Die Düse und Gasströmung dienen der Einschnürung des Plas malichtbogens zum gezielten Energieeintrag in das Werkstück. Zum Durchzünden des Plas malichtbogens ist ein Pilotlichtbogen von der Elektrode zur Anode erforderlich. Der Pilot lichtbogen brennt mit geringer Leistung zwischen der Elektrode und der kurzzeitig als Anode geschalteten Düse des Plasmabrenners und tritt als Plasmastrahl aus. Der Pilotlichtbogen wird oft durch das Anlegen einer durch ein Zündgerät kurzzeitig erzeugten Hochspannung zwi schen Elektrode und Düse gezündet. Der Strom des Pilotlichtbogens kann durch einen Vor widerstand begrenzt werden. Die direkte Betriebsweise im Gleichstrombetrieb wird wegen der Ausnutzung des hohen auf die Anode übergehenden Leistungsanteils hauptsächlich zum Plasmaschmelzen und Plasmaschneiden verwendet.

Bei der indirekten Betriebsweise (Plasambrenner mit nicht übertragenem Lichtbogen) ist die Düse die Anode. Aus der Anode tritt ein elektrisch nicht stromführender Plasmastrahl (nicht übertragener Lichtbogen) aus, der durch die Gasströmung geführt wird. Das Betriebsgas wird im Lichtbogen aufgehalten und verläßt die Düse im allgemeinen als stromfreier Plasmastrahl. Hauptanwendungsgebiet der indirekten Betriebsweise sind das Plasmaspritzen und das Plas maschmelzen nicht-leitender Materialien.

Neben der Elektrode stellt die Düse ein wesentliches Verschleißteil eines Plasmabrenners dar. Da die Düse die Aufgabe hat, den Plasmastrahl einzuschnüren, um eine hohe Stromdichte zu erreichen, hat die Geometrie des Düsenkanals einen entscheidenden Einfluß auf die Schneid- bzw. Schweißleistung und die Qualität der Schnittfläche und -kante bzw. Schweißnaht. Eine Aufweitung des Düsenkanals bewirkt eine Auffächerung des Lichtbogens und somit eine Reduzierung der Energiedichte und führt z. B. zur Verringerung der Schneidleistung und zur Vergrößerung der Schnittfugenbreite.

In DD 300 003 wird ein Verfahren zur Prozeßsteuerung an Plasmabrennern beschrieben, bei dem innerhalb eines höchstens 20 ms dauernden Meßzyklus mehrmals die Teilspannungen zwischen Elektrode und Düse und zwischen Düse und Werkstück und die Gesamtspannung zwischen Elektrode und Werkstück gemessen und der jeweiligen Stromstärke des Pilot- und/oder Hauptbogens zugeordnet gespeichert werden, die gespeicherten Teilspannungen zwischen Elektrode und Düse sowie zwischen Düse und Werkstück untereinander und sum marisch sowie einzeln mit der Gesamtspannung und Spannungsgrenzwerten verglichen wer den, die Vergleichsergebnisse mehrerer aufeinanderfolgender Meßzyklen miteinander und mit den dazugehörigen gespeicherten logischen Größen der Prozeßsteuergrößen, z. B. "Plasma gasmenge", "Entladungsraumdruck" und "Vorschub" verglichen und die Ausgabegrößen durch Signalisation oder Steuerbefehle verwertet werden. Der in der vorgenannten Druck schrift beschriebenen Überwachung des Verschleißzustandes einer Düse liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich das Ausbrennen der Düse in wesentlich stärkerem Maße auf die Teilspan nung zwischen der Elektrode und der Düse als auf die Gesamtspannung zwischen der Elek trode und dem Werkstück auswirkt. Das Ausbrennen der Düse kann an kurzzeitigen größeren negativen Spannungsgradienten zwischen der Elektrode und der Düse sowie gleichzeitigen positiven Spannungsgradienten an niedrigen Spannungen an der Elektrode und dem Werk stück registriert werden. Eine Verschleißgrenze kann durch das Unterschreiten einer Grenz spannung nach dem Auftreten eines solchen Spannungsgradienten registriert werden. Bei dem Verfahren werden Parameter des übertragenen Lichtbogens gemessen und ausgewertet. Es weist die Nachteile auf, daß es erstens den Zustand der Düse nicht bereits vor dem eigentli chen Bearbeitungsprozeß (mit übertragenem Lichtbogen) bestimmt und zweitens nicht für Plasmaverfahren mit nicht übertragenem Lichtbogen verwendet werden kann.

Aus DD 132 607 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zum Schutz der Düsen von werk stückgepolten Plasmabrennern bekannt. Mit dem Verfahren soll das Auftreten von Doppellichtbögen, die zur Beschädigung der Düse führen, verhindert werden. Dazu wird die Kon densatorwirkung des zwischen der Düse und dem Plasmastrahl liegenden Kaltgasmantels als Dielektrikum derart ausgenutzt, daß die Kapazität, der Verlustwinkel oder beide als komplexe Größe(n) laufend kontrolliert und mit dem eingestellten Grenzwert verglichen wird/werden. Eine Verringerung des Kaltgasmantels, die die Gefahr von Doppellichtbögen durch Düsen kurzschluß, Gasmangel oder zu hohe Strombelastung signalisiert, wird erkannt und signali siert. Da auch bei dem Verfahren Parameter des übertragenen Lichtbogens gemessen und aus gewertet werden, liegen auch hier die bereits oben beschriebenen Nachteile vor. Weiterhin wird der Verschleiß, der sich in der Vergrößerung des Durchmessers der Düsenbohrung zeigt, nicht erkannt.

Aus der SU 1660894 ergibt sich ein Verfahren, bei dem die Schneidspannung (Hauptlichtbo genspannung) mit einer Referenzspannung verglichen wird. Unterschreitet die Schneidspan nung die Referenzspannung, wird ein Düsenverschleiß signalisiert und der Schneidprozeß gestoppt. Als Ursache für die Spannungsänderung wird der Zusammenhang zwischen dem Durchmesser der Düsenbohrung und der Spannung als U ~ 1/d² angegeben. Das Verfahren weist auch den Nachteil auf, daß erst während des Schneidens ein Düsenverschleiß erkannt wird. Weiterhin wird vorausgesetzt, daß der Abstand zwischen einem Plasmabrenner und ei nem Werkstück konstant bleibt. Üblicherweise wird die Abstandsregelung für Plasmabrenner jedoch über die Erfassung der Hauptlichtbogenspannung vorgenommen. Diese wird durch eine Korrektur des Brennerabstandes konstant gehalten, d. h. eine Veränderung der Haupt lichtbogenspannung durch eine Vergrößerung des Durchmessers der Düsenbohrung würde wegen des nachgeregelten Abstandes gar nicht registriert werden. Damit ist dieses Verfahren für automatisierte Prozesse ungeeignet.

Aus der WO 95/26251 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung des Düsenverschleißes mit Hilfe einer Druckmessung und des Elektrodenverschleißes mit Hilfe der Auswertung der Spannung des Pilotlichtbogens bekannt. Das Verfahren liefert zwei Prozeßsignale für zwei voneinander abhängige Verschleißparameter. Mit Hilfe zweier Gleichungen, die z. B. aus einer nichtlinearen Regression gewonnen werden können, können der Grad des Düsen- bzw. Elektrodenverschleißes eindeutig bestimmt werden. Zum eindeutigen Bestimmen des Vorlie gens eines Verschleißes der Plasmabrennerdüse muß neben dem Spannungsmittelwert bzw. dem Spannungseffektivwert der Druck ermittelt werden.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung des Ver schleißzustandes einer Plasmabrennerdüse bereitzustellen, mit dem der Verschleißzustand der Plasmabrennerdüse bereits vor dem eigentlichen Einsatz des Plasmabrenners bei der Werk stückbearbeitung ermittelt und signalisiert wird, um eine hohe Qualität der nachfolgenden Werkstückbearbeitung sicherzustellen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

a) Ermittlung eines Spannungsmittelwertes U und/oder Spannungseffektivwertes U_Eff eines zeitlichen Verlaufes einer Spannung eines Lichtbogens zwischen einer Elektrode (Kathode) und der Düse (Anode) des Plasmabrenners bzw. einem Werkstück (Anode) vor einer Bear beitung des Werkstückes mit dem Plasmabrenner und Ermittlung der Standardabweichung s und/oder der Varianz v der Lichtbogenspannung;
b) Anzeigen des ermittelten Spannungsmittelwertes U und/oder des ermittelten Spannungs effektivwertes U_Eff oder einer Funktion des jeweiligen Wertes und eines jeweiligen Referenz parameters und Anzeigen der ermittelten Standardabweichung s und/oder ermittelten Varianz v der Lichtbogenspannung.

Die Standardabweichung bzw. Varianz ist ein Maß für die Glattheit der Lichtbogenspannung. Je kleiner diese Parameter sind, desto glatter ist die Lichtbogenspannung. Die Bestimmung der Standardabweichung bzw. der Varianz stellt nur ein Beispiel für eine statistische Auswertung der Lichtbogenspannung im Hinblick auf eine Aussage über die Glattheit der Licht bogenspannung dar.

Der Spannungsmittelwert U und/oder Spannungseffektivwert U_Eff kann dabei sowohl anhand des analogen Lichtbogenspannungssignals als auch anhand des digitalisierten Lichtbogen spannungssignals ermittelt werden.

Eine Lichtbogenspannung zwischen einer Elektrode und einem Werkstück ist dabei nur ein Beispiel für eine zu der Lichtbogenspannung zwischen der Elektrode und der Düse proportio nale Spannung, die auch zur Überwachung des Verschleißzustandes gemäß dem vorliegenden Verfahren verwendet werden kann.

Dabei kann vorgesehen sein, daß der Spannungsmittelwert U ein arithmetischer Mittelwert ist.

Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß der Spannungsmittelwert U ein geometrischer Mittelwert ist.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung umfaßt der Schritt (a):
Messung und Speicherung von n Meßwerten U_k des zeitlichen Verlaufes einer Spannung ei nes Lichtbogens, mit

n ∈ {2, 3 . . .},
k ∈ {0, 1, . . ., n-1} und
(n - 1).Δt = T,

wobei Δt der zeitliche Abstand zwischen zwei Messungen und T die Gesamtmeßzeit ist; und Berechnung des Spannungsmittelwertes U oder Spannungseffektivwertes U_Eff aus den n Spannungsmeßwerten U_k. Die Meßwerte U_k können sowohl äquidistant als auch nicht äquidistant sen. Diese Ausführungsform stellt nur ein Beispiel für die Ermittlung des Span nungsmittelwertes U und/oder Spannungseffektivwertes U_Eff durch Digitalisieren des zeitli chen Verlaufes der Lichtbogenspannung und nachfolgenden Auswertung dar.

Dabei kann vorgesehen sein, daß das Verfahren umfaßt:
Auslösen eines Warnsignals und/oder Abschalten der Spannungsversorgung für den Plasmab renner, wenn der Spannungsmittelwert U und/oder der Spannungseffektivwer U_Eff einen je weiligen festlegbaren Grenzwert unterschreitet/unterschreiten bzw. mindestens eine der be sagten Funktionen einen jeweiligen festlegbaren Grenzwert unterschreitet/unterschreiten bzw. überschreitet/überschreiten. Je nach der gewählten Funktion muß das Auslösen bzw. Ab schalten bei Unter- bzw. Überschreiten eines Grenzwertes geschehen. Das Abschalten der Spannungsversorgung kann durch ein Plasmabrenner-Führungssystem erfolgen.

Günstigerweise wird/werden der Spannungsmittelwert U und/oder der Spannungseffektivwert U_Eff ausgedruckt.

Darüber hinaus kann vorgesehen sein, daß der Spannungsmittelwert U und/oder der Span nungseffektivwert U_Eff gespeichert wird/werden.

Vorzugsweise beträgt die Gesamtmeßzeit T 0,2 bis 1,5 s.

Ferner beträgt der zeitliche Abstand Δt vorzugsweise 1 bis 100 µs.

Dabei kann gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform vorgesehen sein, daß der Schritt (a) außerdem umfaßt:
Berechnung der Standardabweichung s und/oder der Varianz v aus den n Spannungsmeßwer ten U_k und dem Spannungsmittelwert U, und daß der Schritt (b) zusätzlich umfaßt:
Anzeigen der berechneten Standardabweichung s und/oder der Varianz v oder einer Funktion des jeweiligen Wertes und eines jeweiligen Referenzparameters.

Günstigerweise umfaßt das Verfahren: Auslösen eines Warnsignals und/oder Abschalten der Spannungsversorgung für den Plasmabrenner, wenn die berechnete Standardabweichung s und/oder die berechnete Varianz v einen jeweiligen festlegbaren Grenzwert unterschrei tet/unterschreiten bzw. mindestens eine der besagten Funktionen einen jeweiligen festlegba ren Grenzwert unterschreitet/unterschreiten bzw. überschreitet/überschreiten. Unter den be sagten Verhältnissen sind die in dem vorangehenden Absatz genannten Verhältnisse zu ver stehen.

Vorzugsweise wird/werden die Standardabweichung s und/oder die Varianz v ausgedruckt.

Ferner kann dabei vorgesehen sein, daß die Standardabweichung s und/oder die Varianz v gespeichert wird/werden.

Außerdem kann vorgesehen sein, daß das Warnsignal ein optisches Warnsignal umfaßt.

Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß das Warnsignal ein akustisches Warnsignal um faßt.

Außerdem kann vorgesehen sein, daß der Grenzwert oder mindestens einer der Grenzwerte vorab festgelegt wird.

Darüber hinaus kann der Grenzwert oder mindestens einer der Grenzwerte ein Absolut wert/Absolutwerte sein.

Andererseits kann auch vorgesehen sein, daß der Grenzwert oder mindestens einer der Grenzwerte ein auf den jeweiligen Refernzparameter bezogener Wert ist.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung ist/sind der Referenzpa rameter der Referenzspannungsmittelwert U_Ref und/oder der Referenzspannungseffektivwert U_Eff,Ref und wird/werden er/sie anhand von Referenzmessungen an einer unbeschädigten Plasmabrennerdüse unter denselben Betriebsbedinungen, wie Plasmagas, Plasmagasvolumen strom, Leistung, ermittelt.

Außerdem kann vorgesehen sein, daß als zusätzlicher Referenzparameter bzw. als zusätzliche Referenzparameter die Referenzstandardabweichung s_Ref und/oder die Referenzvaraianz v_Ref ermittelt wird/werden.

Günstigerweise wird ein automatischer Wechsel zumindest der Plasmabrennerdüse vorge nommen, wenn zumindest ein berechneter Parameter einen jeweiligen Grenzwert unter schreitet. Der automatische Wechsel kann auch z. B. den Wechsel des Plasmabrennerkopfes oder des kompletten Plasmabrenners umfassen.

Weiterhin kann der Lichtbogen zur nachfolgenden Werkstückbearbeitung in indirekter Be triebsweise des Plasmabrenners dienen. Der über die Spannung eine Aussage über den Ver schleißzustand der Plasmabrenndüse liefernde Lichtbogen wird in diesem Fall nachfolgend auch zur Werkstückbearbeitung verwendet.

Alternativ kann der Lichtbogen als Pilotlichtbogen zur nachfolgenden Werkstückbearbeitung in direkter Betriebsweise des Plasmabrenners dienen. In diesem Fall wird eine Überwachung des Verschleißzustandes einer Plasmabrennerdüse über den zur nachfolgenden Zündung des Hauptlichtbogens notwendigen Pilotlichtbogen vorgenommen.

Wiederum alternativ kann der Lichtbogen zusätzlich zu einem Pilotlichtbogen gezündet wer den. Ein derartiger Lichtbogen dient dann einzig und allein zur Überwachung des Verschleiß zustandes einer Plasmabrennerdüse.

Schließlich kann auch vorgesehen sein, daß der Lichtbogen mit einem anderen Plasmagas und/oder einem anderen Plasmagasvolumenstrom und/oder einer geringeren Leistung als der Pilotlichtbogen betrieben wird. Dies weist den Vorteil auf, daß immer definierte Verhältnisse hinsichtlich des Plasmagasvolumenstroms und des Plasmagases bestehen. Beim Pilotlichtbo gen zur Erregung des Hauptlichtbogens besteht dagegen die Möglichkeit, da je nach Schneid aufgabe unterschiedliche Plasmagase und -volumenströme verwendet werden.

Der Erfindung liegt somit die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß es durch die zusätzli che Ermittlung der Standardabweichung s und/oder der Varianz v der Lichtbogenspannung neben der Ermittlung eines Spannungsmittelwertes U und/oder Spannungseffektivwertes U_eff möglich ist, eindeutig auf den Verschleißzustand der Plasmabrennerdüsen zu schließen.

Der zeitliche Verlauf der Lichtbogenspannung wird nämlich mit zunehmender einseitiger Beschädigung des Düsenkanals glatter. Während sich ein Verschleiß in Form einer gleichmä ßigen Aufweitung des Düsenkanals stärker auf den Mittelwert der Lichtbogenspannung aus wirkt, wirkt sich eine einseitige Beschädigung des Düsenkanals stärker auf die Glattheit der Lichtbogenspannung aus. Bei einer unbenutzten bzw. unbeschädigten Plasmabrennerdüse treten Lichtbogenspannungsänderungen um einen Spannungsmittelwert auf, da der anode Düsenansatzpunkt des Lichtbogens am Düsenmund rotiert. Tritt eine einseitige Beschädigung des Düsenkanals z. B. durch Schneiden in nur einer Richtung oder durch hochspritzendes Material, das zur Ausbildung eines Lichtbogens führen kann, der zwischen der Düse und dem Werkstück brennt (Doppellichtbogen), oder durch Werkstückberührung der Plasambrennerdüse ein, so rotiert der anodische Düsenansatzpunkt des Pilotlichtbogens nicht mehr so stark am Düsenmund wie bei einer unbenutzten oder unbeschädigten Plasmabrennerdüse. Diese Form des Verschleißes kann den Düsenkanal auch nur teilweise beschädigen, so daß es zu keiner Änderung des Düsendurchmessers kommt. Derartige Düsenkanaldefekte werden bei den Verfahren gemäß den in der Beschreibungseinleitung zitierten Druckschriften nicht er kannt. Eine einseitige Aufweitung des Düsenkanals führt zu einer seitlichen Auslenkung des Plasmastrahls und damit zu einer deutlichen Verringerung der Schnittqualität, die durch die Kenngrößen Form- und Lagetoleranz, die Rechtwinkligkeits- und Neigungstoleranz und die gemittelte Rauhtiefe der Schnittfläche beschrieben wird. Beim Betreiben eines Plasmabren ners verschleißt üblicherweise die Düse in Form eines Kombination beider Verschleißarten, so daß sich sowohl der Mittelwert der Lichtbogenspannung als auch ihre Glattheit ändern.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Gefahr einer fehlerhaften Bearbeitung des Werkstückes verringert und die Qualität der Werkstückbearbeitung wesentlich erhöht. Außer dem werden Verschleißteilkosten gesenkt, da die Verschleißteile erst zum spätmöglichsten Zeitpunkt gewechselt werden können.

Darüber hinaus weist das Verfahren den Vorteil auf, daß beide oben beschriebenen Düsenver schleißformen vor der eigentlichen Materialbearbeitung mit dem Plasmabrenner erkannt und signalisiert werden und darauf erforderlichenfalls reagiert wird.

Die Auswertung der Lichtbogenspannung kann analog, digital oder in einer Kombination der beiden Auswertungsarten erfolgen. Eine analoge Ermittlung des Spannungsmittelwertes U und/oder des Spannungseffektivwertes U_Eff kann im einfachsten Fall über elektrische Meß werke erfolgen. So besteht die Möglichkeit, den Spannungsmittelwert U über ein Drehspul meßwerk und den Spannungseffektivwert U_Eff über ein quadratbildendes Meßwerk, z. B. ein Dreheisen- bzw. elektrostatisches Meßwerk, zu ermitteln. Der Wechselspannungsanteil kann durch Vorschalten eines Kondensators vor das quadratbildende Meßwerk ermittelt werden.

Bei Unterschreiten eines zuvor festgelegten Grenzwertes kann durch einen Grenzwertgeber ein Warnsignal gegeben werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung an hand der beigefügten Zeichnungen erläutert ist, in denen

Fig. 1 eine Anordnung zur Durchführung einer Ausführungsform des erfin dungsgemäßen Verfahrens schematisch zeigt;

Fig. 2 Einzelheiten einer analogen Lichtbogenspannungsauswerteeinrichtung zeigt,

Fig. 3 Einzelheiten einer digitalen Lichtbogenspannungsauswerteeinrichtung zeigt, und

Fig. 4a) bis 4d) die gemessenen zeitlichen Verläufe der Lichtbogenspannung für unter schiedlich stark verschlissene Plasmabrennerdüsen zeigen.

Fig. 1 zeigt einen Plasmabrenner 10, mit dem ein Werkstück (nicht gezeigt) geschnitten wer den soll. Der Plasmabrenner 10 wird dazu direkt betrieben. Zum Durchzünden eines für die Werkstückbearbeitung verwendeten Hauptlichtbogens ist ein Pilotlichtbogen 12 von der Elektrode (Kathode) 14 zu der Düse (Anode) 16 des Plasmabrenners 10 erforderlich. Die Pi lotlichtbogenspannung zwischen der Elektrode 14 und der Düse 16 wird an einer Plasma schneidstromquelle 18 über eine Lichtbogenspannungsauswerteeinrichtung 19 abgegriffen. Es wäre aber auch möglich, eine der Pilotlichtbogenspannung proportionale Spannung, z. B. die Spannung zwischen der Elektrode 14 und einem Werkstück auszuwerten. Der Pilotlichtbogen 12 wird durch das Anlegen einer von einem Pilotlichtbogenzündgerät 20 kurzzeitig erzeugten Hochspannung zwischen der Elektrode 14 und der Düse 16 gezündet. Der Strom des Pilotlichtbogens 12 wird durch einen Pilotlichtbogen-Widerstand 22 begrenzt und brennt mit einer geringen Leistung.

Die Lichtbogenspannung kann über eine Auswerteeinrichtung in Form einer analogen elek tronischen Schaltung, wie sie z. B. in Fig. 2 gezeigt ist, vorgenommen werden. In Fig. 2 wird die Lichtbogenspannung über einen Meßwandler 24 und eine galvanische Trennung 26 ent sprechenden analogen Auswertegruppen, und zwar für den Spannungsmittelwert U einem Mittelwertbildner (Integrator) 28 und für den Spannungseffektivwert U_Eff einem Effektivwert bildner 30, zugeführt.

Die Ergebnisse werden über eine jeweilige Anzeigeeinrichtung 32, 34, die analog oder digital sein kann, ausgegeben. Referenzspannungsmittelwerte U_Ref und Referenzspannungsmittel werte U_Eff,Ref können in einer jeweiligen Analogwertspeichereinrichtung 36, 38 gespeichert und einstellbar mit den laufenden Spannungsmeßwerten mit Hilfe eines jeweiligen Span nungsvergleichers (Komparator) 40, 42 verglichen werden. Bei Unterschreiten des jeweiligen eingestellten Referenzwertes wird ein Warnsignal abgegeben. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, den Wechselspannungsanteil auszuwerten. Hierzu wird die Lichtbogenspannung über einen Hochpaßfilter 44 einem Gleichrichter und einer Anzeigeeinrichtung 46 zugeführt. Auch hier kann ein Referenzspannungsmittelwert in einer Analogwertspeichereinrichtung 48 gespeichert und einstellbar mit den laufenden Spannungsmeßwerten mit Hilfe eines Span nunsvergleichers (Komparator) 50 verglichen werden.

Die modernste und komfortabelste Anordnung zur Ermittlung des Düsenverschleißzustandes ist jedoch die digitale Auswertung der Lichtbogenspannung unter Verwendung eines Mikro prozessors.

Fig. 3 zeigt Einzelheiten einer digitalen Lichtbogenspannungsauswerteeinrichtung. Die Licht bogenspannungsauswerteeinrichtung umfaßt einen Meßwandler 24, eine galvanische Tren nung 26, einen A/D-Wandler 52, eine Speichereinrichtung 54 und einen Mikrokontroller 56 mit einer Speichereinrichtung 58 in Form eines EPROM sowie mit einer Anzeigeeinrichtung 60. Darüber hinaus steht der Mikrokontroller 58 mit einem Verschleißteilwechselsystem 62 in Verbindung.

Der Meßwandler 24 wandelt die gemessene Lichtbogenspannung, die im vorliegenden Fall der Pilotlichtbogenspannung entspricht und typischerweise im Bereich von 0 bis 250 Volt liegt, in Werte im Bereich von 0 bis 10 Volt um. Gleichzeitig dient der Meßwandler 24 der Bedämpfung der zur Zündung des Pilotlichtbogens 12 erforderlichen Hochspannung auf die Lichtbogenspannungsauswerteeinrichtung 19. Die galvanische Trennung 26 realisiert eine galvanische Trennung des Elektronikpotentials vom Potential des Plasmaschneidkreises. In dem A/D-Wanlder 52 wird die analoge Lichtbogenspannung in ein digitales Signal mit n dis kreten Spannungswerten U_k umgewandelt und in der Speichereinrichtung 54 in Form eines RAM gespeichert. Der Mikrokontroller 54 übernimmt die Steuerung der Abläufe und die Be rechnung von statistischen Kennwerten des zeitlichen Verlaufes der (Pi lot)Lichtbogenspannung wie folgt:

Zur Auswertung des Verschleißzustandes einer Plasmabrennerdüse wird zunächst der zeitli che Verlauf einer Referenzlichtbogenspannung einer neuen Plasmabrennerdüse aufgenommen und deren Referenzspannungsmittelwert U_Ref, Referenzstandardabweichung s_Ref und Refe renzvarianz v_Ref berechnet und abgespeichert.

Vor dem eigentlichen Einsatz des Plasmabrenners zum Plasmaschneiden wird während der Pilotlichtbogenphase der zeitliche Verlauf der Pilotlichtbogenspannung gemessen und deren Spannungsmittelwert U, die Standardabweichung s und die Varianz v gespeichert und mit den Referenzwerten verglichen sowie als Absolutwert oder als prozentualer Wert der Referenz werte angezeigt. Wenn festgelegte Grenzwerte unterschritten werden, wird ein optisches oder akustisches Warnsignal ausgelöst und das Verschleißteilwechselsystem 62 über den Mikro kontroller 54 veranlaßt, einen automatischen Verschleißteilwechsel vorzunehmen.

Fig. 4a) und 4d) zeigen beispielhaft Ergebnisse von Untersuchungen an Plasmabrennerdüsen, die vier unterschiedlichen Verschleißgruppen angehören:

Fig. 4a) neue Plasmabrennerdüse

Fig. 4b) leicht verschlissene Plasmabrennerdüse

Fig. 4c) durchschnittlich verschlissene Plasmabrennerdüse

Fig. 4d) stark verschlissene Plasmabrennerdüse

Die Auswirkungen des Düsenverschleißzustandes wurden hinsichtlich der Schnittqualität un tersucht. Hierbei sind folgende Parameter relevant:

- Schnittfugenbreite
- Schnittkantenqualität, Schlacke
- Bartgewicht und Bartvolumen
- Schnittflächenqualität
- Schnittoberflächenqualität

Die Untersuchungen ergaben, daß sich alle Parameter mit zunehmendem Düsenverschleiß verschlechtern. Wie die Untersuchungen weiterhin zeigten, ist ein Erkennen des Verschleiß zustandes von Plasmabrennerdüsen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eindeutig möglich. Dies wird auch anhand der nachfolgenden Tabelle deutlich.

Die relative Änderung des Spannungsmittelwertes U der Pilotlichtspannung zwischen einer neuen und einer stark verschlissenen Plasmabrennerdüse beträgt 27% und die relative Ände rung der Standardabweichung s beträgt 53%. Es haben sich sowohl der Spannungsmittelwert U als auch die Standardabweichung s geändert, da sich bei real verschlissenen Plasmab rennerdüsen meist eine Vergrößerung des Durchmessers der Düsenbohrung und teilweise Düsenkanaldefekte ergeben. Die Standardabweichung s ändert sich prozentual stärker als der Spannungsmittelwert U mit dem Düsenverschleiß. Wie sich aus dem Vorangegangenen er gibt, kann durch die Messung der Pilotlichtbogenspannung und deren statistische Auswertung mit großer Sicherheit der Verschleißzustand einer Plasmabrennerdüse ermittelt werden.

Die in der vorangehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offen barten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Bezugszeichenliste

10

Plasmabrenner

12

Pilotlichtbogen

14

Elektrode

16

Düse

18

Plasmaschneidstromquelle

19

Lichtbogenspannungsauswerteeinrichtung

20

Pilotlichtbogenzündgerät

22

Pilotlichtbogen-Widerstand

24

Meßwandler

26

galvanische Trennung

28

Mittelwertbildner

30

Effektivwertbildner

32

,

34

36

,

38

Analogwertspeicher

40

,

42

Spannungsvergleicher

44

Hochpaßfilter

46

48

Analogwertspeicher

50

Spannungsvergleicher

52

A/D-Wandler

54

Speichereinrichtung

56

Mikrokontroller

58

Speichereinrichtung

60

Anzeigeeinrichtung

62

Verschleißteilwechselsystem

Claims

1. Verfahren zur Überwachung des Verschleißzustandes einer Düse eines Plasmabrenners mit rotierendem Plasmagas, das die folgenden Schritte umfaßt:

a) Ermittlung eines Spannungsmittelwertes U und/oder Spannungseffektivwertes U_Eff eines zeitlichen Verlaufes einer Spannung eines Lichtbogens zwischen einer Elektrode (Kathode) und der Düse (Anode) des Plasmabrenners bzw. einem Werk stück (Anode) vor einer Bearbeitung des Werkstückes mit dem Plasmabrenner und Ermittlung der Standardabweichung s und/oder der Varianz v der Lichtbogenspan nung;
b) Anzeigen des ermittelten Spannungsmittelwertes U und/oder des ermittelten Spannungseffektivwertes U_Eff oder einer Funktion des jeweiligen Wertes und eines jeweiligen Referenzparameters und Anzeigen der ermittelten Standardabweichung s und/oder ermittelten Varianz v der Lichtbogenspannung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsmittelwert U ein arithmetischer Mittelwert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsmittelwert U ein geometrischer Mittelwert ist.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (a) umfaßt:
Messung und Speicherung von n Meßwerten U_k des zeitlichen Verlaufes einer Span nung eines Lichtbogens, mit
n ∈ {2, 3, . . . .},
k ∈ {0, 1, . . ., n - 1} und
(n - 1).Δt = T,
wobei Δt der zeitliche Abstand zwischen zwei Messungen und T die Gesamtmeßzeit ist; und
Berechnung des Spannungsmittelwertes U oder Spannungseffektivwertes U_Eff aus den Spannungsmeßwerten U_k.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt:
Auslösen eines Warnsignals und/oder Abschalten der Spannungsversorgung für den Plasmabrenner, wenn der Spannungsmittelwert U und/oder der Spannungsef fektivwert U_Eff einen jeweiligen festlegbaren Grenzwert unterschreitet/unterschreiten bzw. mindestens eine der besagten Funktionen einen jeweiligen festlegbaren Grenz wert unterschreitet/unterschreiten bzw. überschreitet/überschreiten.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsmittelwert U und/oder der Spannungseffektivwert U_Eff ausgedruckt wird/werden.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsmittelwert U und/oder der Spannungseffektivwert U_Eff gespeichert wird/werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamt meßzeit T 0,2 bis 1,5 s beträgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Abstand Δt 1 bis 100 µs beträgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (a) außerdem umfaßt:
Berechnung der Standardabweichung s und/oder der Varianz v aus den n Span nungsmeßwerten U_k und dem Spannungsmittelwert U_k, und daß der Schritt (b) zu sätzlich umfaßt:
Anzeigen der berechneten Standardabweichung s und/oder der Varianz v oder einer Funktion des jeweiligen Wertes und eines jeweiligen Referenzparameters.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt:
Auslösen eines Warnsignals und/oder Abschalten der Spannungsversorgung für den Plasmabrenner, wenn die berechnete Standardabweichung s und/oder die berechnete Varianz v einen jeweiligen festlegbaren Grenzwert unterschreitet/unterschreiten bzw. mindestens eine der besagten Funktionen einen jeweiligen festlegbaren Grenzwert unterschreitet/unterschreiten bzw. überschreitet/überschreiten.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Standardabweichung s und/oder die Varianz v ausgedruckt wird/werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stan dardabweichung s und/oder die Varianz v gespeichert wird/werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Warn signal ein optisches Warnsignal umfaßt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Warn signal ein akustisches Warnsignal umfaßt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Grenzwert oder mindestens einer der Grenzwerte vorab festgelegt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Grenzwert oder mindestens einer der Grenzwerte ein Absolutwert/Absolutwerte ist.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Grenzwert oder mindestens einer der Grenzwerte ein auf den jeweiligen Referenzparameter bezogener Wert ist.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Re ferenzparameter der Referenzspannungsmittelwert U_Ref und/oder der Referenzspannungseffektivwert U_Eff,Ref ist/sind und anhand von Referenzmessungen an einer unbeschädigten Plasmabrennerdüse unter denselben Betriebsbedingungen, wie Plasmagas, Plasmagas volumenstrom, Leistung, ermittelt wird/werden.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß als zu sätzlicher Referenzparameter bzw. als zusätzliche Referenzparameter die Referenzstandar dabweichung s_Ref und/oder die Referenzvarianz v_Ref ermittelt wird/werden.

21. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein automatischer Wechsel zumindest der Plasmabrennerdüse vorgenommen wird, wenn zu mindest ein berechneter Parameter einen jeweiligen Grenzwert unterschreitet.

22. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen zur nachfolgenden Werkstückbearbeitung in indirekter Betriebsweise des Plas mabrenners dient.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Licht bogen als Pilotlichtbogen zur nachfolgenden Werkstückbearbeitung in direkter Betriebs weise des Plasmabrenners dient.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Licht bogen zusätzlich zu einem Pilotlichtbogen gezündet wird.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen mit einem anderen Plasmagas und/oder einem anderen Plasmagasvolumenstrom und/oder einer gerin geren Leistung als der Pilotlichtbogen betrieben wird.