DE2659188A1

DE2659188A1 - Plasma arc cutting control - by comparing arc voltage with stored stable voltage for height motor feed

Info

Publication number: DE2659188A1
Application number: DE19762659188
Authority: DE
Inventors: Russell M Morgan; George Haig Tikijian
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1975-12-29
Filing date: 1976-12-28
Publication date: 1977-07-07

Abstract

The distance between the gun and the workpiece in a plasma arc cutting device is automatically controlled by the arc voltage value, stored as reference in a memory when a stable arc has been established. The subsequent actual arc voltage is constantly compared in a comparator with the stored reference voltage. Any difference is converted to an output signal for the gun height control motor. This is a more accurate control than that obtainable by a capacitive control. Water, used for silencing, cannot affect the control by altering the capacitance.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Method and device for

Spannungs-Brennerhöhenregelung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Spannungs-Brennerhöhenregelung, insbesondere für die Verwendung bei Plasmalichtbagen-Schneidsystemen. Voltage torch height control The invention relates to a method and a device for voltage torch height control, especially for use with plasma arc tube cutting systems.

Bekanntlich stellt sowohl bei Schweiß- als auch bei Schneidverfahren der Abstand zwischen Brenner und Werkstück einen wichtigen Parameter dar. Es wurde daher eine Reihe von Systemen entwickelt, um beim Schweißen und Schneiden den Abstand zwischen Brenner und Werkstück zu regeln. Auf dem Gebiet der Plasmalichtbogen-Schneidtechnik werden derzeit mehrere Anordnungen für die Regelung des Brenner-Werkstück-Abstandes benutzt.Bei einer dieser bekannten Anordnungen erfolgt die Regelung des Abstandes zwischen Brenner und Werkstück auf Grund von Kapazitätsänderungen zwischen dem Werkstück und einer an dem Brenner angebrachten Platte. Diese Anordnung ist bei zahlreichen Plasmalichtbogen-Schneideinrichtungen zufriedenstellend, zeigt jedoch Mängel, wenn als Schneideinrichtung ein Plasmalichtbogenbrenner benutzt wird, bei dem zur Geräuschunterdrückung ein Wasserschalldömpfer vorgesehen ist. Dabei ergeben sich nämlich Probleme daraus, daß das für die Schalldämpfung benutzte Wasser die Kapazität und folglich den Abstand zwischen Brenner und Werkstück beeinflußt.It is known to be used in both welding and cutting processes the distance between the torch and the workpiece is an important parameter therefore a number of systems have been developed to keep the distance when welding and cutting to regulate between torch and workpiece. In the field of plasma arc cutting technology There are currently several arrangements for regulating the distance between the torch and the workpiece In one of these known arrangements, the distance is regulated between torch and workpiece due to changes in capacitance between the workpiece and a plate attached to the burner. This arrangement is with numerous Plasma arc cutters are satisfactory but have shortcomings when as a cutting device Plasma arc torch is used, in which a water-borne silencer is provided for noise suppression. Included namely, problems arise from the fact that the water used for soundproofing affects the capacity and consequently the distance between the torch and the workpiece.

Jüngste Entwicklungen der Plasmalichtbogenbrenner machen es außerdem erforderlich, den Abstand zwischen Brenner und Werkstück genauer vorzugeben, als dies mit Hilfe einer kapazitiven Höhenregelung möglich ist.Recent developments in plasma arc torches do as well required to specify the distance between torch and workpiece more precisely than this is possible with the help of a capacitive height control.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Brennerhöhenregelung zu schaffen, die durch die Umgebungsbedingungen des Brenners nicht beeinträchtigt werden. Für einen Plasmalichtbogenbrenner soll eine von der Lichtbogenbrennerspannung abhängige Regelung erhalten werden. Die Höhenregelung für einen Plasmalichtbogenbrenner soll genauer als die derzeit zur Verfügung stehenden Regelungen sein.The invention is based on the object of a method and a device to create burner height control by the ambient conditions of the burner not be affected. For a plasma arc torch, one of the Arc torch voltage dependent control can be obtained. The height control for a plasma arc torch is said to be more precise than those currently available Be regulations.

Diese Aufgabe wird mit den in den Ansprüchen angegebenen Maßnahmen gelöst.This task is achieved with the measures specified in the claims solved.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Regelung und Fig. 2 eine typische Kurve, die die Abhängigkeit zwischen Lichtbogenspannung und Brennerabstand erkennen läßt.The invention is shown below on the basis of a preferred exemplary embodiment explained in more detail. In the accompanying drawings show: Fig. 1 a block diagram of the control system according to the invention and FIG. 2 a typical curve, which shows the relationship between the arc voltage and the distance between the torch.

Bei einer Plasmalichtbogen-Schneidvorrichtung ändert sich die Lichtbogenspannung in Abhängigkeit von der Höhe des Plasmabrenners über dem zu schneidenden Material. Dieser Umstand wird vorliegend ausgenutzt, um während Plasmaschneidvorgängen die Höhe des Brenners elektronisch zu regeln.In a plasma arc cutter, the arc voltage changes depending on the height of the plasma torch above the material to be cut. This fact is used in the present case in order to prevent the Electronically adjustable burner height.

Bei einem typischen Arbeitsvorgang (Fig. 1) kann die Leerlaufspannung der Lichtbogenstromquelle 3 beispielsweise -400 V betragen, wenn kein Schneidlichtbogen vorhanden ist. Nachdem der Lichtbogen zwischen dem Brenner T und dem Werkstück W ausgebildet ist, schwankt die Spannung an dem Lichtbogen je nach dem Abstand d nominell zwischen. ungefähr -100 V und -250 V.In a typical operation (Fig. 1), the open circuit voltage of the arc power source 3, for example, be -400 V when there is no cutting arc is available. After the arc between the torch T and the workpiece W is formed, the voltage across the arc varies nominally depending on the distance d between. approximately -100 V and -250 V.

Im Falle der in Fig. 1 veranschaulichten#Ausführungsform wird die an dem Lichtbogen abfallende Spannung mit Hilfe eines 20:1-Spannungsteilerwiderstands 1 erfaßt, der in der Regelung 2 sitzt. Dies ergibt einen Spannungsbereich für die elektronische Regelung von -20 V bei nicht vorhandenem Lichtbogen (Leerlauf) sowie von -5 V bis -12,5 V, wenn der Lichtbogen ausgebildet ist. Dieser Spannungsbereich kann in Abhängigkeit von den jeweiligen Schneidvorgängen in gewissem Umfang variieren.In the case of the embodiment illustrated in FIG. 1, the voltage drop across the arc using a 20: 1 voltage divider resistor 1 detected, which sits in the control 2. This gives a voltage range for the electronic regulation of -20 V in the absence of an arc (idle) and from -5 V to -12.5 V when the arc is established. This voltage range can be dependent of the respective cutting processes to a certain extent Scope vary.

Im folgenden sei die Spannungs-Höhen-Regelschaltung näher erläutert. Die Lichtbogeneingangsspannung betritt den Analogteil der Vorrichtung über ein Filter 5, das im Lichtbogen erzeugte hochfrequente Störsignale nach Masse ableitet.The voltage-level control circuit is explained in more detail below. The arc input voltage enters the analog part of the device through a filter 5, which diverts high-frequency interference signals generated in the arc to ground.

Die Lichtbogengleichspannung geht dann über einen Differentialverstärker 7, wo Rauschanteile und Störsignale, die auf schlechte Masseverbindungen der schweren Maschinenanlage zurückzuführen sind, zusätzlich unterdrückt werden. Die Lichtbogenspannung wird dann über einen Gleichspannungsverstärker 9 geleitet, wo das Lichtbogensignal für die im Digitalteil erfolgende Analog/Digital-Umwandlung in einen Bereich von 0 bis +5 V verschoben wird.The DC arc voltage then goes through a differential amplifier 7, where noise components and spurious signals resulting in poor ground connections of the serious Machine system are due, are additionally suppressed. The arc voltage is then passed through a DC voltage amplifier 9, where the arc signal for the analog / digital conversion taking place in the digital part in a range of 0 to +5 V.

Im Digitalteil wird die Lichtbogengleichspannung.mittels des Aflalog/Digital-Wandlers 11 in ein 7-Bit-Digitalsignal umgewandelt. Diese Bits werden gruppenweise alle 1/100 Sekunde erzeugt und an zwei Zwischenspeicher 13 und zwei Vergleicher 15 gegeben. Zwei Zwischenspeicher und zwei Vergleicher sind zur Verarbeitung der sieben Bits erforderlich.The DC arc voltage is generated in the digital part by means of the Aflalog / digital converter 11 converted into a 7-bit digital signal. These bits become 1/100 in groups Second generated and given to two buffers 13 and two comparators 15. Two latches and two comparators are used to process the seven bits necessary.

Die erste Gruppe der von dem Analog/Digital-Wandler 11 erzeugten sieben Bits wird in dem Zwischenspeicher 13 eingespeichert und als Bezugssignal benutzt. Jede nachfolgende Gruppe von sieben Bits geht an den Vergleicher, wo die Bits ständig mit der ursprünglichen 7-Bit-Gruppe verglichen werden, die in dem Zwischenspeicherausgang steht.. Unterscheidet sich eine dieser nachfolgenden 7-Bit-Gruppen von der ursprünglichen 7-Bit-Gruppe, erzeugt der Vergleicher ein Fehlersignal, das an ein Spannungshöhenausgangsflipflop 17 geht.The first group of the seven generated by the analog-to-digital converter 11 Bits is stored in the latch 13 and used as a reference signal. Each subsequent group of seven bits goes to the comparator where the bits are constant to be compared with the original 7-bit group that is in the buffer output stands .. Is one of these following 7-bit groups different from the original 7-bit group, the comparator generates an error signal which is sent to a voltage level output flip-flop 17 goes.

In Abhängigkeit davon, ob das von dem Vergleicher angelieferte Fehlersignal erkennen läßt, daß die Lichtbogenspannung angestiegen oder abgefallen ist und dementsprechend der Brenner ausgehend von seiner Anfangseinstellung d angehoben oder abgesenkt wurde, gibt das Spannungshöhenflipflop 17 ein Ausgangssignal zurück zu einer Spannungspegelverschiebeschaltung 19 im Analogteil, wo das betreffende Signal von einem digitalen Bereich von 0 V bis +5 V in einen Maschinenmotorregellogikbereich von -5 V bis +5 V umgesetzt wird.Depending on whether the error signal delivered by the comparator shows that the arc voltage has increased or decreased and accordingly the burner has been raised or lowered from its initial setting d, the voltage level flip-flop 17 outputs an output signal back to a voltage level shift circuit 19 in the analog section, where the signal in question is from a digital range of 0 V up to +5 V is converted into a machine motor control logic range of -5 V to +5 V.

Das Signal wird dann einem Pufferverstärker 21, einem Relais 23 und der logischen Schaltung 25 der Maschine zugeführt, die schließlich den Brennerhöhenmotor 27 steuert.The signal is then sent to a buffer amplifier 21, a relay 23 and the logic circuit 25 of the machine, which ultimately is the torch height motor 27 controls.

Wird im Vergleicher kein Fehlersignal ermittelt, geht ein Null-Fehler-Signal an ein Nulländerungsflipflop 29 im Digitalteil sowie einen Nulländerungsverstärker 31 im Analogteil, so daß keine Änderung bezüglich des Ausgangssignals erfolgt, das an die logische Schaltung 25 abgegeben wird.If no error signal is determined in the comparator, a zero-error signal is issued to a zero change flip-flop 29 in the digital part and a zero change amplifier 31 in the analog section, so that there is no change in the output signal, the is output to the logic circuit 25.

Im folgenden sei die der Spannungshöhenregelung zugeordnete periphere Regelschaltung beschrieben.The following is the peripheral associated with the voltage level control Control circuit described.

Sobald ein Lichtbogen ausgebildet wird, ändert sich die Spannung zwischen dem Filter 5 und dem Differentialverstärker 7.Once an arc is formed, the voltage changes between the filter 5 and the differential amplifier 7.

Dies bewirkt, daß ein Lichtbogenauslöseschalter 35 ein Stabilisierungszeitglied 37 anlaufen läßt. Typischerweise dauert es ungefähr zwei Sekunden, bis die Lichtbogenspannung einen konstanten Wert erreicht hat, nachdem ein Lichtbogen ausgebildet wurde. Infolgedessen wird ein Zeitglied von zwei Sekunden benutzt, um ein digitales Entsperrsignal zurückzuhalten. Dadurch wird verhindert, daß die Digitalschaltung ein fehlerhaftes Digitalsignal erzeugt, das im Zwischenspeicher 13 eingespeichert wird. Nach Ablauf der Zeitverzögerung geht das Digitalentsperrsignal an eine Triggerschaltung 39 und löst diese aus; außerdem werden eine Entsperrverriegelungsschaltung 41, ein Relaisflipflop 43, das Ausgangsflipflop 17 und das Nulländerungsflipflop 29 betätigt. Die Entsperrtrigger-Schaltung 39 gibt den ersten Taktimpuls an den Analog/Digital-Wandler 11, um die erste aus sieben Bits bestehende digitale Information zu erzeugen, die in den Zwischenspeichern eingespeichert wird. Die Entsperrtriggerschaltung 39 entriegelt ferner die Entsperrverriegelungsschaltung 41 und ein Speichergatter 45, so daß diese erste 7-Bit-Gruppe vom Eingang zum Ausgang der Zwischenspeicherstufe gehen kann.This causes an arc trip switch 35 to be a stabilization timer 37 starts up. Typically it takes about two seconds to develop the arc voltage has reached a constant value after an arc is formed. Consequently a two second timer is used to withhold a digital unlock signal. This prevents the digital circuit from receiving an erroneous digital signal generated, which is stored in the buffer 13. After the time delay has expired the digital unlock signal goes to a trigger circuit 39 and triggers it; aside from that an unlock lock circuit 41, a relay flip-flop 43, the output flip-flop 17 and the zero change flip-flop 29 actuated. The unlock trigger circuit 39 is there the first clock pulse to the analog / digital converter 11 to the first of seven Bits to generate existing digital information that is stored in the buffer memory will. The unlock trigger circuit 39 also unlocks the unlock lock circuit 41 and a memory gate 45, so that this first 7-bit group from input to output the caching stage can go.

Am Ende der Erzeugung der 7-Bit-Gruppe kommt ein Umwandlungsendsignal von dem Analog/Digital-Wandler. Dieses Signal läuft über eine Verzögerungsstufe 47 und setzt eine eigene Multivibratortriggerschaltung 49. Das Umwandlungsende-Triggersignal tastet das Speichergatter 45, das die anfängliche 7-Bit-Gruppe der digitalen Information in dem Zwischenspeicherausgang einspeichert.At the end of the generation of the 7-bit group, there is an end of conversion signal from the analog / digital converter. This signal runs through a delay stage 47 and sets a separate multivibrator trigger circuit 49. The conversion end trigger signal samples the memory gate 45 which is the initial 7-bit group of digital information stores in the buffer output.

Das Speichergatter 45 steuert dann das Relaisflipflop 43 um, das ein Signal zurück zum Speichergatter 45 gibt. Das Relaisflipflop 43 und das Speichergatter 45 gehen jetzt zusammen in die Sperrstellung über, um das Relais 52 erregt zu halten. Gleichzeitig setzt das Relaisflipflop 43 die Entsperrverriegelungsschaltung 41 zurück und gibt ein Entsperrsignal an einen Taktzeitgeber 50. Der Zeitgeber kann jetzt die 1/100-Sekunde-Taktimpulse an den Analog/Digital-Wandler 11 über einen Impulsformer 51 geben, der die Impulsform genau vorgibt. Auf diese Weise werden nachfolgende Gruppen zu je sieben Bits erzeugt, die an den Vergleicher 15 gehen.The memory gate 45 then controls the relay flip-flop 43, the one Signal back to the memory gate 45 is. The relay flip-flop 43 and the memory gate 45 now go together into the blocking position in order to keep the relay 52 energized. At the same time, the relay flip-flop 43 resets the unlock lock circuit 41 and outputs an unlock signal to a clock timer 50. The timer can now the 1/100 second clock pulses to the analog / digital converter 11 via a pulse shaper 51, which precisely specifies the pulse shape. In this way, subsequent Groups of seven bits each are generated, which go to the comparator 15.

Wenn das Relaisflipflop 43 gesetzt ist, steuert es den Relaistreiber 52 und das Relais 23 im Analogteil an. Das Relais 23 schaltet das Signal von der kapazitiven Höhenregelung auf die Spannungshöhenregelung.When the relay flip-flop 43 is set, it controls the relay driver 52 and the relay 23 in the analog part. The relay 23 switches the signal from the capacitive level control on the voltage level control.

Zu dem Analogteil gehört ferner ein Lichtbogenspönnungsbereichsdetektor 53. Wenn der Lichtbogen ausgebildet ist und die zwei Sekunden betragende Verzögerungszeit des Zeitgliedes 37 abgelaufen ist, überwacht der Detektor 53 die Lichtbogengleichspannung zwischen dem Differentialverstärker 7 und dem Gleichspannungsverstärker 9. Verläßt die Spannung den Bereich von -5 V Gleichspannung bis -12,5 V Gleichspannung, sperrt der Bereichsdetektor 53 das Signal der digitalen Entsperrtriggerschaltung 39. Dadurch wird der Digitalteil abgeschaltet, das Relais entregt und die Maschine auf die kapazitive Höhenregelung zurückgeschaltet.The analog section also includes an arc voltage range detector 53. When the arc is formed and the two seconds Delay time of the timer 37 has expired, the detector 53 monitors the DC arc voltage between the differential amplifier 7 and the DC voltage amplifier 9.If the voltage leaves the range of -5 V DC to -12.5 V DC, the area detector 53 blocks the signal from the digital unlock trigger circuit 39. This switches off the digital part, de-energizes the relay and the machine switched back to the capacitive height control.

Bei der kapazitiven Regel schaltung handelt es sich um eine herkömmliche Schaltung dieser Art, mittels deren der ursprüngliche Abstand d zwischen Brenner und Werkstück eingestellt wird. Derartige Schaltungen arbeiten auf Grund von Kapazitätsänderungen zwischen einer Platte P am Brenner T und dem Werkstück W. Eine solche Schaltung ist beispielsweise in der US-PS 3 596 050 beschrieben, Fig. 2 zeigt eine typische Änderung der Lichtbogenspannung in Abhängigkeit von Änderungen des Abstandes d zwischen Brenner und Werkstück.The capacitive control circuit is a conventional one Circuit of this type, by means of which the original distance d between burners and workpiece is set. Such circuits operate on the basis of changes in capacitance between a plate P on the torch T and the workpiece W. Such a circuit is described, for example, in U.S. Patent 3,596,050, Fig. 2 shows a typical one Change in arc voltage as a function of changes in the distance d between Torch and workpiece.

Claims

A n p r ü c h e Procedure for regulating the distance between burners and workpiece in a plasma arc cutting device, characterized in that that a predetermined distance between the torch and the workpiece is specified, between an arc is formed between the torch and the workpiece, a predetermined one Waiting time for the arc to stabilize, then the arc voltage is queried at the predetermined distance between the torch and workpiece, the arc voltage thus queried for use as a distance reference value in a Reference memory stored. the arc voltage during the cutting process is continuously determined, the determined arc voltage of a comparator circuit is supplied, where the determined arc voltage with the stored reference voltage is compared, and that by the comparison between the determined voltage and the stored voltage generated signal of a burner motor height control circuit is fed, whereby the burner depending on the fed to the height control Signal is adjusted.

2. Automatic height control device for plasma arc cutting, characterized by a measuring circuit connected to the plasma arc, which the Arc voltage between the plasma arc torch and the Workpiece determined, a filter and amplifier circuit to take over the determined Voltage from the measuring circuit and to form a noise-free reference voltage signal as well as a constantly determined arc voltage to be compared with the reference voltage, a memory circuit for receiving and storing the signal of the filter and Amplifier circuit, a comparator circuit for comparing the determined voltage the filter and amplifier circuit with the stored reference voltage and for generating an error signal, a converter circuit for converting the from the Comparator circuit delivered error signal into a usable error signal as well by a burner height control circuit, which is supplied by the converter circuit usable error signal picks up to keep the burner in working order Distance between torch and workpiece required direction # to be adjusted.

3. Control device according to claim 2, characterized in that the Filter and amplifier circuit is provided with a time delay circuit, which enables the arc voltage to stabilize for a predetermined period of time, before the reference voltage signal is stored.

4. Control device according to claim 2 or 3, characterized in that that the filter and amplifier circuit with an arc voltage range detector circuit is provided, which monitors the voltage supplied to the comparator circuit and the entire control device locks when the monitored voltage is outside of a predetermined range.