DE2738066A1

DE2738066A1 - Regelschaltung fuer die laenge eines lichtbogens zwischen einem elektroden- paar

Info

Publication number: DE2738066A1
Application number: DE19772738066
Authority: DE
Inventors: James Erwin Fellure; Endre Leslie Toth
Original assignee: Arcair Co
Current assignee: Arcair Co
Priority date: 1976-09-14
Filing date: 1977-08-24
Publication date: 1978-03-23
Also published as: CA1079813A; SE7709064L; FR2364086A1; CH625632A5; JPS5381154A; FR2364086B1; US4093844A; GB1562970A

Description

PATENTANWÄLTE

DIPL-ING. H. STEHMANN DIPL-PHYS. DR. K. SCHV/ülNZER DIPL-ING. DR. M. RAU

9 7 9 R Π R R

D-8500 NÜRNBERG ESSENWEINSTRASSE 4-i TELEFON 0? U / 20 37 27 TELEX Oi / 23135 ^ / s) O U U U

Nürnberg, 22.08.77 120/53

Arcair Company, N. Memorial Drive, Route 33, Lancaster,

Ohio / USA

Regelschaltung für die Länge eines Lichtbogens zwischen einem Elektroden - Paar

Die Erfindung betrifft eine Regelschaltung für die Länge eines Lichtbogens zwischen einem Elektroden-Paar, insbesondere bei automatischem Lichtbogenschweißen.

Beim Lichtbogenschweißen ist eine genaue Vorgabe der Länge des Schweiß-Lichtbogens wünschenswert. Die Gewährleistung einer bestimmten Lichtbogenlänge ist insbesondere bei automatischem Maschinenschweißen wichtig, also wenn Schweißnähte nicht von Schweißern erstellt werden, sondern mit hoher Produktivität von Maschinenwärtern. Beispielsweise muß beim Volumenschweißen (volume welding) von Artilleriegeschossen die Lichtbogenlänge derart gesteuert werden, daß eine hinreichende Hitzeentwicklung sichergestellt ist, um den Schweißelektrodendraht und den Zusatzdraht zu schmelzen und die äußere Schicht des Artilleriegeschoß-Grundmaterials bis zum Schmelzpunkt des Artilleriegeschoß-Uberzugmaterials zu erwärmen. Die Lichtbogenenergie muß sorgfältig gesteuert werden, um ein intermetallisches Binden ohne wirkliche Vermengung der beiden Metalle sicherzustellen.

Wenn beispielsweise die Lichtbogenlänge unterhalb des Optimalwertes liegt, dann wird die Lichtbogenwärme auf eine

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Fläche konzentriert, die kleiner als die optimale Fläche ist, wodurch das Grundmaterial einer unerwünscht hohen Temperatur ausgesetzt wird. Folglich würde der Lichtbogen sich in das Material eingraben, also tief in das Geschoß eindringen, mit der unerwünschten Folge eines Eindringens Eisen in das Uberzugmaterial.

In der Praxis ist man bisher davon ausgegangen, daß die Lichtbogenspannung die Lichtbogenlänge bestimmte. Die Lichtbogenspannung jedoch, die diesbezüglich gemessen wurde, war die Spannung an der Leistungsversorgung, bei der es sich um die Gesamtspannung zwischen demjenigen Punkt, an dem der Schweißelektrodendraht an die Stromquelle angeschlossen ist und dem Ende des Bogens oder dem Werkstück handelt. Diese Versorgungsspannung setzt sich jedoch zusammen aus einem Spannungsanteil zum Erhitzen des Schweißdrahtes und aus einem weiteren Spannungsanteil zum Aufrechterhalten der Lichtbogen-Länge, wobei diese Anteile als solche unbekannte Größen sind, die sich beständig ändern. Diese Änderungen rühren beispielsweise daher, daß der Schweißelektrodendraht mittels eines langen Kontaktrohres an die Stromquelle angeschlossen ist, woraus ein tatsächlicher Anschluß am Eingangspunkt oder am Ausgangspunkt dieses Rohres oder an irgendeiner Stelle dazwischen resultiert. Weitere Spannungsschwankungen beruhen auf der Verwendung von Schweißelektrodendraht aus unterschiedlichen Metallen mit verschiedenem elektrischem Widerstand. Darüberhinaus kann der Oberflächenwiderstand des Schweißelektrodendrahtes sich in Abhängigkeit von der Oberflächengüte des Drahtes ändern. Auch eine Verschmutzung der Drahtoberfläche ruft Spannungsschwankungen henor, die ihrerseits Veränderungen der Lichtbogenspannung und somit der Lichtbogenlänge bewirken.

Im Interesse wirtschaftlichen Einsatzes hochproduktiver Schweiß-

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maschinen liegt deshalb der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine wirksamere Regelschaltung eingangs genannter Art für automatische Steuerung der Länge eines Lichtbogens, insbesondere eines Schweißlichtbogens, zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen gelöst durch einen optischen Aufnehmer zur Abgabe von lichtbogenabhängigen Signalen mit anschließendem Umsetzer zur Abgabe von für die Lichtbogenlänge charakteristischen Signalen zur Ansteuerung einer Stellgliedanordnung für Erzielen einer vorgegebenen Lichtbogenlänge.

Als Istwert-Aufnehmer zum Messen der momentanen Lichtbogenlänge wird dabei zweckmäßigerweise eine Videokamera nach Art einer Fernsehkamera eingesetzt, deren Video-Ausgangssignal lediglich insoweit ausgewertet wird, als festgestellt wird, wieviele der Zeilen eines Bildes noch die interne Projektion des Lichtbogens innerhalb der Videokamera schneiden, ggf. unter Berücksichtigung der Winkellage zwischen der Abbildung des Lichtbogens und der Richtung der Längserstreckung der Zeilen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung näher dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispieles zur erfindungsgemäßen Regelschaltung. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild über den Aufbau einer Regelschaltung unter Verwendung der Erfindung,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild für eine einer Video-

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kamera gemäß Fig. 1 nachgeschaltete BiIdsignal-Verarbeitungs- und -Bewertungsschaltung zur Ermittlung der aktuellen Lichtbogenlänge,

Fig.3 ein Impulsdiagramm zur näheren Erläuterung von Einzelfunktionen der Schaltung nach Fig. 2,

Fig. 4 nach Art eines Flußdiagrammes eine bevorzugte funktioneile Ausgestaltung für die Übernahme der Ausgangssignale nach Fig. 2,

Fig. 5A bis Fig. 5C, entsprechend der Flußdiagramm-Darstellung nach Fig. 4 funktioneile Zusammenhänge in der Regler-Auswerteschaltung zum Gewinnen von Stellgrößen für die Stellgliedanordnung gemäß Fig. 1, und

Fig. 6 nach Art eines Flußdiagrammes die funktionellen Zusammenhänge einer übergeordneten Steuerung für den Ablauf der logischen Operationen innerhalb der Regler-Auswerteschaltung nach Fig. 1.

Als bevorzugtes Anwendungsbeispiel für die erfindungsgemäße Lichtbogenlängen-Regelschaltung ist in Fig. 1 in symbolischer Vereinfachung eine Lichtbogen-Schweißvorrichtung 10 mit Regelschaltung für die Länge des Schweiß-Lichtbogens 16 dargestellt. Diese Regelschaltung beinhaltet mehrere Stellglieder

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zur Sicherstellung der vorgegebenen Länge des Lichtbogens 16, nämlich insbesondere eine Draht-Vorschubeinrichtung 22, eine Höhen-Verstelleinrichtung 20 für eine vertikale Abstandseinstellung, eine Zusatzdraht-Vorschubeinrichtung 27 und eine Lichtbogen-Leistungsversorgung 21. Als optischer Aufnehmer zur Istwert-Ermittlung über die momentane Länge des Lichtbogens 16 ist eine Videokamera 24 vorgesehen. Eine ihr nachgeschaltete Bildsignalverarbeitungs- und -Bewertungsschaltung 26 wertet die aus der optischen Aufnahme und opto-elektrischen Signalwandlung gewonnenen Informationen aus, in^dem die aktuelle Länge des Lichtbogens 16 gemessen und ein davon abhängiges Istwe;rt-Signal abgegeben wird. Dieses Istwert-Signal wird mit einem Sollwert-Signal verglichen, und das aus diesem Vergleich resultierende Signal über die Regelabweichung, also das Regler-Ausgangssignal, dient der Ansteuerung der einzelnen Stellglieder der Stellgliedanordnung, um einen Lichtbogen 16 vorgegebener Länge hervorzurufen. Wie in Fig. 1 in symbolischer Vereinfachung dargestellt, ist die Videokamera 24 auf den Lichtbogen 16 gerichtet, so daß auf der Bildfläche innerhalb der Videokamera 24 ein sehr helles Abbild des momentanen Lichtbogens 16 erscheint, der von der Videokamera 24 über optische Filter aufgenommen wird, um den Lichtbogen 16 deutlich von Umgebungseinflüssen abzuheben. Als Maßeinheit für die Länge des abgebildeten Lichtbogens 16 dient die Anzahl der Abtast-Zeilen bei der Bildauflösung innerhalb der Videokamera 24, die die Abbildung des Lichtbogens 16 noch schneiden. Für die Messung der Länge des Lichtbogens 16 kann also eine handelsübliche Videokamera 24 mit Zeilenauflösung des Bildes benutzt werden.

Die der Videokamera 24 nachgeschaltete Bildsignalverarbeitungs- und -Bewertungsschaltung 26 gibt ein Ausgangssignal über den Istwert der Länge des Lichtbogens 16 ab, dessen Art von der Realisierung der Regelschaltung insgesamt abhängt.

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Beim dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein kc-diertes Ausgangssignal vorgesehen, dessen Informationsgehalt eine Funktion der Position und der Länge des Lichtbogens 16 auf der Bildfläche in der Videokamera 24 ist, um damit eine als eigentlicher Regler innerhalb der Regelschaltung fungierende Auswerteschaltung 15 am Istwert-Eingang zu speisen. Der modernen Technologie entsprechend wird diese Auswerteschaltung 15 bevorzugt als diskontinuierlich arbeitender Regler ausgelegt und beispielsweise unter Verwendung standardisierter Funktionsschaltungen, wie sie aus der Rechnertechnik geläufig sind, realisiert. Die Auswerteschaltung 15 kann also insbesondere unter Verwendung eines Rechners, bevorzugt eines Mikrocomputers, realisiert werden. Diese Auswerteschaltung 15 ist ferner von einem universellen Störgrößengeber 28 für die verschiedenen Systemparameter beaufschalgt, nämlich insbesondere hinsichtlich Schweißspannung, Stromstärke, Drahtvorschubgeschwindigkeit, Höheneinstellung, Lichtbogenlänge und Sollwert; die Funktion eines herkömmlichen Sollwertgebers ist bei der in Fig. 1 dargestellten Regelschaltung also mit in die Funktion des Störgrößengebers 28 integriert. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß der Regler in Gestalt der Auswerteschaltung 15 vier Stellglieder ansteuert, um die aktuelle Länge des Lichtbogens 16 im wesentlichen auf dem vorgegebenen Wert zu halten; d. h., der Rechner oder die sonstige Realisierung der Auswerteschaltung 15 beeinflußt wenigstens eines der folgenden Stellglieder:

1. Den Schweißpegel der Schweißlichtbogen-Leistungsversorgung 21,

2. die vertikale Höhe des Brenners 12 über die Höhenverstelleinrichtung 20,

3. die Ausfahrgeschwindigkeit des Elektrodendrahtes 25,

der mittels der Draht-Vorschubeinrichtung 22 von

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einer Spule 25a abgezogen wird, und

4. die Zufuhrgeschwindigkeit des kalten oder Zusatzdrahtes 23, der mittels der Zusatzdraht-Vorschubeinrichtung 27 von einer Spule 23a abgezogen wird.

Die Schweißlichtbogen-Leistungsversorgung 21 ist zwischen dem Werkstück 11 und einem Kontaktrohr 21a , durch das der Elektrodendraht 25 hindurch verläuft, angeschlossen. Da das untere Ende des Lichtbogens 16 stets beim Werkstück 11 entsteht, ist es möglich, mittels der dargestellten Schweißvorrichtung 10 zu bewirken, daß der Lichtbogen 16 einer vorgegebenen Kontur folgt, während die gewünschte Länge des Lichtbogens 16 aufrechterhalten bleibt, in.'dem die Schweißvorrichtung 10 mit der erfindungsgemäßen Regelschaltung an eine herkömmliche, motorbetriebene Brennerpositionier-Vorrichtung angeschlossen wird. Auf diese Weise ist es mittels der dargestellten Schweißvorrichtung 10 möglich, in jedem Falle den Brenner 12 in vorgegebenem Abstand über dem Werkstück zu führen, unabhängig von der Werkstückkontur, in.-dem die Länge des Lichtbogens 16 gemessen und konstant gehalten wird.

Die Videokamera 24 ist über ein herkömmliches Schweiß-Schutzfilter auf den Lichtbogen 16 gerichtet, und in der Videokamera 24 wird dieser Lichtbogen 16 mit einer Frequenz von 60 Hz abgetastet. Die Videokamera 24 weist 245 Abtastlinien, nämlich Bildzeilen, für ihre Bildfläche auf, bei einer Abtastzeit von angenähert 16,6 msek. . Die Anzahl derjenigen Abtastlinien, also Bildzeilen, die vom hellen Abbild des Lichtbogens 16 auf der Bildfläche der Videokamera 24 überdeckt werden, dient als Maß für die Istwert-Ermittlung in der Regelschaltung der Schweißvorrichtung 10 nach Fig. 1.

Es ist verständlich, daß das Bild des Lichtbogens 16 sich

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ΛΛ

innerhalb der Bildfläche nach oben, nach unten oder zu den Seiten hin verlagern kann, nach-dem der Lichtbogen 16 einmal ϊ auf die Bildfläche innerhalb der Videokamera 24 projiziert ist. Die Schaltung zur Istwert-Ermittlung hinsichtlich der Länge des Lichtbogens 16 ist deshalb dafür ausgelegt, daß trotz solcher Verlagerungen des Bildes lediglich eine Auswertung hinsichtlich der Anzahl der horizontalen Abtast-Zeilen stattfindet, die das Abbild des Lichtbogens 16 schneiden, unabhängig von der Position dieses Abbildes innerhalb der Bildfläche.

Wie ohne weiteres verständlich, hängt von dem benutzten optischen Linsensystem der Videokamera 24 die Auflösung des Meßvorganges ab, nämlich im Hinblick auf die Größe der Darstellung des Lichtbogens 16 bezüglich der zur Verfügung stehenden Abtast-Zeilen. Bei einem typischen Ausführungsbeispiel liegt die Auflösung des Meßsytems bei +_ 0,254 mm, dem Abstand zweier einander benachbarter Abtast-Zeilen. Es können aber auch andere opto-elektrische oder foto-elektrische Bauelemente als optische Aufnehmer zum Abtasten des Bildes des Lichtbogens 16 im Rahmen der erfindungsgemäßen Regelschaltung eingesetzt werden, etwa Fotodioden-Anordnungen. Die Entscheidung für einen konkreten optischen Aufnehmer im Rahmen der erfindungsgemäßen Regelschaltung hängt von den Abmessungsgegebenheiten hinsichtlich der gewünschten Auflösung und von dem erzielbaren Frequenzgang ab.

Die Videokamera 24 kann mit einem internen Taktgeber für 60 Hz arbeiten, um eine Bildstandzeit von angenähert 16,6 msek. zu erzielen. Die Abtastzeit beträgt vorzugsweise angenähert 15,5 msek., so daß für den vertikalen Rücklauf etwa 1,25 msek., +_ 0,150 msek., zur Verfügung stehen.

Das Ausgangssignal der Videokamera 24 ist ein Videosignal 100,

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wie es als typisches Beispiel in der obersten Zeile von Fig. 3 dargestellt ist. Diejenigen Anteile des Videosignales 100, die oberhalb der einen Re-ferenzpegel/Öarstellenden Mittellinie liegen, nämlich die Lichtbogensignale 101a, b, ... , werden dadurch erzeugt, daß der Abtaststrahl über die Abbildung des Lichtbogens 16 hinüberstreicht. Somit wird ein erstes Lichtbogensignal 101a erzeugt, wenn der Abtaststrahl erstmals, nämlich im oberen Bereich der Abbildung des Lichtbogens 16, über die Lichtbogendarstellung hinüberstreicht*, das folgende Lichtbogensignal 101b entsteht, wenn im Zuge der nächstfolgenden Abtastzeile die Lichtbogendarstellung gekreuzt wird usw.. Die unterhalb Bezugspotenti-als erscheinenden Anteile des Videosignales 100 sind die Rücklaufsignale 100a, b, .... usw., die jeweils beim übergang vom Ende einer Zeile zum Anfang der nächstfolgenden Abtastzeile erscheinen.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird das Videosignal 100 aus der Videokamera 24 in die Bildsignal-Verarbeitungs- und -Bewertungsschaltung 26 eingespeist, und zwar beim Signaleingang 29 (vergl. Fig. 2). Die in Fig. 2 detailierter dargestellte Schaltung besteht im wesentlichen aus zwei Funktionskreisen, nämlich einer Lichtbogenlängenschaltung 26a sowie aus einer Lichtbogensbartschaltung 26b, die die Vorgänge bis zum Beginn eines Lichtbogens 16 bestimmt. Um die Funktion dieser beiden Schaltungen 26a, 26b zu starten, wird von der Regler-Auswerteschaltung 15 über eine Leitung 17a ein Freigabesignal in die Schaltung 26 eingespeist. Dieses Freigabesignal bewirkt ein Rücksetzen einer bistabilen Kippstufe 80, woraus Signale auf den Leitungen 80a und 80b resultieren, die ihrerseits Transistoren 92 bzw. 30 in den leitenden bzw. in den nicht-leitenden Zustand versetzen. Wenn der Transistor leitend ist, dann ist ein Transistor 90 nicht-leitend, und

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das an seinem Emiter anstehende Potential schaltet den Vergleicher 40 für horizontale Synchronisation ein. Denn der Spannungsteiler 43 ist dann wirksam, d. h., eine negative Spannung mit einem Betrag zwischen negativer Versorgungsspannung und Masse liegt an einem Eingang 40a des Vergleichers 40. Der andere Eingang 40b des Vergleichers 40 ist an den Signaleingang 29 der Bildsignalverarbeitungs- und -Bewertungsschaltung 26 angeschlossen. Der Vergleicher 40 vergleicht die negativen Rücklaufsignale 100a, b, ...., für den horizontalen Zeilenrücklauf mit dem Bezugspotential und liefert ein Augangssignal, das zwei monostabile Kippstufen 42, 44 ansteuert.

Bei Erscheinen des ersten Horizontal-Rücklaufsignales 100a wird die monostabile Kippstufe 44 getriggert, die das in der siebten Zeile der Fig. 3 wiedergegebene Ausgangssignal liefert. Dieses Aus-gangssignal 112 erscheint an einem der Eingänge eines NAND-Gatters 46, dessen zweiter Eingang unmittelbar mit demAusgang des Vergleichers 40 verbunden ist. Das vom NAND-Gatter 46 gelieferte Ausgangssignal, das durch einen Inverter 48 umgepolt wird, erscheint auf der Leitung als Horizontalsignal 108.

Wie nachstehend noch im einzelnen erläutert werden wird, wird ein weiteres NAND-Gatter 52 über eine Abtastleitung 34a vorbereitet, so daß die Horizontalsignale 108 über das NAND-Gatter 52 einen Abtastzeilenzähler 82 hochzählen. Auf diese Weise zählt der Abtastzeilenzähler 82 die Horizontal-Rücklaufsignale 100a, b, ...., wobei jeder dieser Signalimpulse den Ablauf einer horizontalen Abtastzeile signalisiat.

Der Inhalt des Abtastzeilenzählers 82 wird nur dann in eine Verriegelungsschaltung 86 übertragen, wenn diese mittels eines

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Lichtbogenstartsignales von einem Gatter 74 vorbereitet ist. Daraufhin enthält die Verriegelungsschaltung 86 eine Information über die Anzahl der horizontalen Abtastzeilen, die beim Abtasten der Bildfläche abgelaufen sind, bis zur Lage der ersten Abtastzeile, die auf die Abbildung des Lichtbogens 16 trifft. Diese Information aus der Verriegelungsschaltung 86 wird mittels einer digitalen Datenleitung in Form einer Mehrfachverbindung 17b in die Auswerteschaltung 15 übertragen.

Das Ausgangssignal 114 der monostabilen Kippstufe 42 , das in der achten Zeile der Fig. 3 dargestellt ist, wird über eine Differenzierschaltung in Form eines Längskondensators 42a mit nachgeschaltetem Querwiderstand 42b auf einen Eingang eines NAND-Gatters 50 gegeben, welches den vertikalen oder Bild-Rücklauf auslöst. Dazu ist ein weiterer Eingang dieses NAND-Gatters 50 über das Horizontalsignal auf der Leitung 53 vorbereitet. Wenn das NAND-Gatter 50 durchschaltet, bewirkt dessen Ausgangssignal ein Ansteuern einer monostabilen Kippstufe 56, die, wie aus Fig. 3 (neunte Zeile) ersichtlich/in ihren quasi-stabilen Zustand gesetzt wird. Diese monostabile Kippstufe 56 verharrt in diesem quasi-stabilen Schaltzustand, bis eine Rückkippzeit t abgelaufen ist, bei der es sich um

die vertikale Rücklaufzeit handelt, worauf unten noch eingegangen wird.

Zunächst wird jedoch die Lichtbogenlängenschaltung 26a innnerhalb der Bildsignal-Verarbeitungs- und -Bewertungsschaltung näher beschrieben. Während deren Funktion ist der Transistor 3D abgeschaltet, was bewirkt, daß ein Spannungsteiler 30a eine Referenzspannung von einem Betrag, der zwischen der negativen Versorgungsspannung und Massepotential liegt, auf einen Eingang 36a eines Video-Vergleichers 36 schaltet. Der andere Eingang 36b dieses Vegleichers 36 ist an den Signaleingang 29 der Gesamt-Schaltung 26 angeschlossen. Der Vergleicher

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vergleicht die differentiel-positiven Lichtbogensignale 101a, 101b, ... mit dem Bezugspotential. So liefert der Vergleicher 36 etwa zum Zeitpunkte des Erscheinens des impulsförmigen Lichtbogensignales 101a (wobei dieser Impuls den Beginn der Abbildung des Lichtbogens 16 anzeigt) ein Ausgangssignal, mit dem eine monostabile Kippstufe 31 angesteuert wird, die ihrerseits ein Gatter 35 freigibt. Der nicht-invertierte

über

Ausgang der monostabilen Kippstufe 31 führt/eine Differenzierschaltung in Form eines Längskondensators 31a mit nachgeschaltetem Querwiderstand 31b auf eine bistabile Kippstufe 33, um diese mit Beginn des quasi-stabilen Schaltungszustandes der monostabilen Kippstufe 31 zu setzen.

Zu dem Zeitpunkt, da die monostabile Kippstufe 31 getriggert wird, wird somit ein Setzimpuls auf die bistabile Kippstufe 33 für Vertikaldetektion gegeben. Diese bistabile Kippstufe 33 verbleibt in ihrem gesetzten Zustand, bis sie zurückgesetzt wird, weil die Amplituden der Lichtbogensignale 101a, b, ... so weit abgelungen sind, daß der Video-Vergleicher 36 kein differentieD. positives Signal mehr feststellt. Nun wird das NAND-Gatter 35 gesperrt, und das dann anstehende Ausgangssignal wird invertiert und auf einen Eingang eines Gatters 38 gegeben. Der andere Eingang dieses Gatters 38 erhält die differenzierten Horizontalsignale 108 über die Leitung 53. Wie oben schon erwähnt, werden diese Horizontalsignale 108 auch im Hinblick auf den Beginn der Lichtbogensignale 101 ausgewertet. Insoweit empfängt das Gatter 38 außer diesen nicht-invertierten Horizontalsignalen 108 auch Signale vom Video-Vergleicher 36, und er liefert ein Ausgangssignal. Dieses Ausgangssignal wird differenziert, um die bistabile Kippstufe 33 zurückzusetzen.

Darüberhinaus werden die nicht-invertierten Horizontalsignale 108 auf der Leitung 53 auch noch über einen Längskondensator 39i

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mit nachgeschaltetem Querwiderstand 39b diffeisiziert und über ein NAND-Gatter 39 in einen Lichtbogenlängen-Zähler 37 eingespeist. Auf diese Weise erscheint mit jedem Horizontalsignal 108, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, im Zähler 37 ein Zählimpuls, um diesen nach Maßgabe der Anzahl der Horizontalsignale 108 hochzuzählen, bis die Horizontalsignale 108 verschwinden, was vom Video-Vergleicher 36 festgestellt wird, der dann kein Ausgangssignal mehr abgibt. Dann wird die bistabile Kippstufe 33 zurückgesetzt, die iherseits das NAND-Gatter 39 sperrt, so daß fortan keine weiteren Impulse den Zähler 37 ansteuern können.

Auf diese Weise werden im Zähler 37 zur Bestimmung der Lichtbogenlänge die Lichtbogensignale 101a, b, .... gezählt. Die Anzahl der gezählten Impulse, also das Zählergebnis im Lichtbogenlängen-Zähler 37, wird aus diesem in eine weitere Verriegelungsschaltung 32 übernommen, wenn vom Gatter 74 her ein Lichtbogenlängen-Signal erscheint. Somit enthält dann die Verriegelungsschaltung 32 eine Information in Form einer Zahl, die der Länge des Lichtbogens 16 proportional ist und über die Mehrfachverbindung 17c , einen MEHRBIT-Bus zur Parallelübertragung eines binär- kodierten Datensatzes, als Information über die Lichtbogenlänge an die Regler-Auswerteschaltung 15 übertragen wird.

Das erste der auftretenden Lichtbogensignale 101a , das die Auffassung des Beginnes der Lichtbogen-Abbildung angibt, bewirkt über das NAND-Gatter 39 und einen Inverter 39d das Setzen einer dem Beginn des Lichtbogens 16 zugeordneten bistabilen Kippstufe 34. Bei gesetzter bistabiler Kippstufe 34 erscheint ein Freigabesignal auf der Speicher-Abtastleitung 34a, die den Lichtbogenlängen-Zähler 37 freigibt, damit dieser in der zuvor beschriebenen Weise nach Maßgabe weiterhin erscheinender Lichtbogensignale 101b, c, .... hochzählen

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kann. Mit Beendigung des horizontalen Rücklaufes erscheint ein in Fig. 3 in der drittletzten Zeile dargestelltes Signal 128 auf einer Leitung 68a, um die bistabile Kippstufe 34 zurückzusetzen. Bei zurückgesetzter bistabil-er Kippstufe 34 ist ein Weiterzählen im Zähler 37 unterbunden, gleichgültig, ob weitere Lichtbogensignale 101 auftreten.

Aus der in Fig.2 dargestellten Zusammenschaltung ergibt sich, daß bei gesetzter bistabiler Kippstufe 34 das Signal auf der Abtastleitung 34a auch ein Sperren des NAND-Gatters 52 bewirkt. Daraus resultiert, daß keine Horizontal-Rücklaufsignale 100a, b, .... den Abtastzeilen-Zähler 82 mehr ansteuern können. Somit werden in diesem Zähler 82 lediglich diejenigen Horizontal-Rücklaufsignale 100a, b, gezählt, die vor Erfassung des Beginns der Lichtbogendarstellung erscheinen.

Wie vorstehend schon erwähn^ bleibt die bistabile Kippstufe 34 bis zum Ende des vertikalen Rücklaufes gesetzt. Auf diese Weise unterbindet sie während dieser Zeitspanne ein Zählen im Zähler 82. Das Vertikal-Rücklauf-Endsignal 128 wird vom Ausgang der monostabilen Kippstufe 56 mit nachgeschalteter monostabiler Kippstufe 68 geliefert. Dieses Rück laufende-Signal 128 zeigt also das Ende des Bildaufbaues an.

über das Gatter 74 wird sowohl ein Lichtbogenlängensignal auf der Leitung 76a als auch ein Lichtbogenstartsignal auf Leitung 76b hervorgerufen. Das Gatter 78 seinerseits wird von einer Reihenschaltung zweier monostabiler Kippstufen 64 und 66 angesteuert, wobei der Eingang der monostabilen Kippstufe 64 an den Ausgang der monostabilen Kippstufe 56 angeschlossen ist. Diese Reihenschaltung der monostabilen Kippstufen 64 und 66 bewirkt eine Zeitverzögerung ab Bild-Ende, was durch die monostabile Kippstufe 56 bestimmt ist.

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Diese Zeitspanne nach dem Bildaufbau ergibt die Zeit zum Verriegeln und übertragen der Lichtbogenlängeninformation und zum Starten der Verarbeitung der Lichtbogeninformation.

Nach-dem auf diese Weise die Lichtbogenlängeninformation erfaßt ist, bewirkt eine monostabile Kippstufe 58 die Ansteuerung eines Gatters 72, um über eine Leitung 17d an die Auswerteschaltung 15 die Information zu übermitteln, daß der Datensatz vollständig vorliegt. Außerdem werden von der monostabilen Kippstufe 58 hintereinander geschaltete monostabile Kippstufen 60, 62 angeregt, um ein Ansteuersignal für ein Gatter 70 zu erzeugen. Dieses liefert über eine Leitung 17e an die Auswerteschaltung 15 ein Unterbrechungssignal.

Wie symbolisch in Fig. 1 dargestellt, sind die Verbindungsund Signalübertragungsleitungen 17a bis 17f zwischen der Schaltung 26 gemäß Fig. 2 und der Auswerteschaltung 15 vorzugsweise über eine Schnittstellenschaltung 15a geführt. Diese Schnittstellenschaltung 15a enthält elektrisch isolierende Opto-Koppler, die eine ohmische Kopplung zwischen der Bildsignalverarbeitungs- und -Bewertungsschaltung 26 und der als Regler fungierenden Auswerteschaltung 15 sicher verhindern. Die Schnittstellenschaltung 15a wirkt also als ein Puffer-Interface zwischen den Schaltungen 15 und 26.

Wie vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 2 bereits erwähnt,

fungieren die Mehrfachverbindungen 17b und 17c jeweils als digitaler MEHRBIT-Datenbus zur Übertragung der kodierten Ausgangsinformationen aus der Bildsignalverarbeitungs- und -Bewertungsschaltung 26 in die als Regler fungierende Auswerteschaltung 15. Die Leitungen 17a und 17f übermitteln Signale aus der Auswerteschaltung 15 zur Schaltung 26, während die Leitungen 17d und 17e Informationen aus der Schaltung 26

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zur Auswerteschaltung 15 hin übertragen. Die Leitungen 17a und 17f wirken als Freigabe- bzw. Blockierleitungen, über die die Auswerteschaltung 15 stoppend oder freigebend in die Datenverarbeitung innerhalb der Bewertungsschaltung 26 eingreift, um ein koordiniertes Zusammenwirken mit dem Ablauf der Schaltvorgänge innerhalb der Auswerteschaltung 15 sicherzustellen, die bevorzugt nicht in konventioneller Technik realisiert wird, sondern für die ein auf die entsprechenden speziellen Signalverarbeitungsfolgen programmierter Rechner eingesetzt werden wird; zur Vereinfachung der Darstellung der schaltungsmäßigen Zusammenhänge bei der Auswertung der von der Schaltung 26 gelieferten informationen ist nachstehend deshalb auf entsprechende Rechnerroutinen zurückgegriffen, wie sie in den Flußdiagrammen gemäß Fig. 4 bis Fig. 6 dargestellt sind. Die Leitungen 17a und 17f werden ferner zur Abfrage bzw. zur Einspeicherung von Informationen im Störgrößengeber 28 herangezogen.

Die Bildsignalverarbeitungs- und -Bewertungsschaltung 26 ist immer freigegeben, wenn ein Lichtbogen 16 vorhanden ist. Ein Signal erscheint auf der Leitung 17d zur Angabe der Tatsache, daß ein Datensatz komplett ist, wenn die Zähler 37 und 82 ihre Zählvorgänge beendet haben und deren Zählergebnisse in die Register- oder Verriegelungsschaltungen 32 bzw. 86 eingespeichert sind. Die Leitung 17e liefert kurze Zeit danach ein Signal, das für den Ablauf der Funktionen in der Auswerteschaltung 15 als UnterbrechungsEignal wirkt, um beispielsweise während einer LeerlaufZeitspanne die Signalauswertung zu unterbrechen und die neuen verfügbaren Daten einzulesen und die Sollwerte zu berücksichtigen, worauf nachstehend noch eingegangen wird.

Wie schon erwähnt und aus der Übersichtsdarstellung der Fig. ersichtliph wird die Auswerteschaltung 15 von einer in erster

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7.0

Linie als Störgrößengeber 28 dienenden Endstelle aus überwacht und gesteuert. Unter den Eingangsinformationen , die von diesem Störgrößengeber 28 an die Auswerteschaltung 15 übermittelt werden, sind insbesondere Datensätze, die den Sollwert der Länge des Lichtbogens 16 angeben, sowie Bezugswerte für die Lichtbogen-Anfangsposition und für Anfangs-Sollwerte der von der Leistungsversorgung 21 gelieferten Schweißleistung für den Aufbau eines Lichtbogens 16; ferner Sollwerte für die vertikale Höhe des Brenners 12, die über die Höhen-Verstelleinrichtung 20 - etwa einen Schrittmotor - eingesetllt wird, für die Arbeitsgeschwindigkeit der Elektrodendraht-Vorschubeinrichtung 22 und für die Arbeitsgeschwindigkeit der Vorschubeinrichtung 27 für den kalten Zusatzdraht.

Diese aus dem Störgrößengeber 28 gelieferten Anfangs-Sollwerte dienen nach Maßgabe der Regler-Ausgangssignale hinter der Auswerteschaltung 15 der Ansteuerung der einzelnen, oben erläuterten Stellglieder, und während der SchweißVorgang abläuft, werden die Ansteuerungen dieser Stellglieder über die als Regler fungierende Auswerteschaltung 15 modifiziert, also in Abhängigkeit von dem ermittelten Istwert über die Länge des Lichtbogens 16 gegenüber dem aktuell gültigen Sollwert. Darüberhinaus wird der Ausgangspunkt des Lichtbogens 16 erfaßt, und dieses Signal dient dazu, die Höhe des Brenners 12 entsprechend einzustellen, so daß bei einem Werkstück 11 variierender Stärke , das unter dem Brenner 12 vorbeiwandert, die Positionierung des Brenners 12 der Kontur folgt, wodurch der Bereich von Lichtbogenlängenfehtern, auch der Lichtbogen-Anfangsfehler/ minimal wird.

Zur Vereinfachung der Zusammenhänge bei der Signalverarbeitung innerhalb der Auswerteschaltung 15 - gleichgültig, ob diese in herkömmlicher Technik oder unter Verwendung eines

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entsprechend programmierten Rechners realisiert wird wird für die Erläuterung der weiteren Zusammenhänge gemäß Fig. A₁ Fig. 5A bis Fig. 5C und Fig. 6 nachstehend auf Übersichtsdarstellungen nach Art von Flußdiagrammen zurückgegriffen, um aufzuzeigen, in welcher Weise innerhalb der Auswerteschaltung 15 die von der Bewertungsschaltung 26 und vom Störgrößengeber 28 gelieferten Informationen ausgewertet werden, um aus Regelabweichungssignalm die Ansteuersignale für die einzelnen Stellglieder zu erhalten. Dabei ist hinsichtlich der Parameter und der ermittelten Informationen für die Steuerung der Stellglieder auf nachstehend zusammengestellte Abkürzungen zurückgegriffen:

ALPS = Lichtbogenlängen-Sollwert

AREF = Werkstück-Oberfläche als Nennposition für den Ausgangspunkt des Lichtbogens 16

AARC = Istwert der Lichtbogenlänge (Datenübermittlung

über Leitung 17c aus der Register-Verriegelungsschaltung 32 in Fig. 2)

ASTA = Istwert des Lichtbogen-Anfanges (Datenübermittelung über Leitung 17b aus der Register-Verriegelungsschaltung 86 in Fig. 2)

KP = Proportionalitäts-Konstante TI = Integrationszeit-Konstante TD = Differentiationszeit-Konstante

F1 = Skalarer Faktor; 1 % derjenigen Schweißleistungserhöhung, die erforderlich ist, um die Lichtbogenlänge um 0,254 mm zu vergrößern

F2 = entsprechend F1, jedoch bezogen auf die Vertikalverschiebung des Brenners 12

F3 = entsprechend F1, jedoch bezogen auf die Vorschubgeschwindigkeit des Elektrodendrahtes

F4 = entsprechend Fl, jedoch bezogen auf die Vorschubgeschwindigkeit des kalten Zusatzdrahtes

KW = prozentuale Lichtbogenlängen-Änderung aufgrund Schwankungen der Schweißleistung

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KV
KE
KC

WLSP
VPSP

WL
VP
ES
CS

prozentuale Lichtbogenlängen-Änderung aufgrund Schwankungen der Vertikalposition des Brenners 12

prozentuale Lichtbogenlängen-Änderung aufgrund Schwankungen in der Vorschubgeschwindigkeit des Elektrodendrahtes

prozentuale Lichtbogenlängen-Änderung aufgrund Schwankungen in der Vorschubgeschwindigkeit des kalten Zusatzdrahtes

SchweißIe.tstungs-Sollwert

Sollwert der vertikalen Brennereinstellung (Abstand zwischen Brenner 12 und Werkstück 11)

Sollwert der Vorschubgeschwindigkeit für den Elektrodendraht

Sollwart der Vorschubgeschwindigkeit für den kalten Zusatzdraht

Ausgabewert-Normierungsfaktor für die Schweißleistung

Ausgabewert-Normierungsfaktor für die Vorschubgeschwindigkeit des Elektrodendrahtes

Ausgabewert-Normierungsfaktor für die Vorschubgeschwindigkeit des kalten Zuatzdrahtes

Ausgabewert-Normierungsfaktor für die Vertikal-Positionierung des Brenners 12

Schweißleistungs-Befehl
Vertikaleinstellungs-Befehl Elektrodenvorschub-Befehl
Zusatzdraht-Vorschub-Befehl.

Die Bildsignalverarbeitungs- und -Bewertungsschaltung 26, die mit dem 60rfz-Abtastraster zusammenwirkt, greift in den Verarbeitungsablauf innerhalb der Auswerteschaltung 15 über die Leitungen 17d und 17e mit Signalen des Inhalts ein, daß ein Datensatz vollständig ist bzw. die Auswertung innerhalb der Auswerteschaltung 15 - nämlich zur Übernahme eines Datensatzes unterbrochen werden soll. Auf diese Weise wird der Verarbeitungsablauf innerhalb der Auswerteschaltung 15 60—mal je Sekunde in einer Leerlaufphase unterbrochen, woraufhin die logische Verarbeitung der binären Informationen innerhalb

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der Auswerteschaltung 15 erfolgt, wie in Fig. 4 bis Fig. 6 wiedergegeben. Auf einen Unterbrechungs-Eingriff hin übernimmt die Auswerteschaltung 15 einen Eingabe-Datensatz, d. h. einen Datensatz, der in der Register-Verriegelungsschaltung 32 abgespeichert ist. Dieser Datensatz wird über die 8-bit-Mehrfachverbindung 17c als binär-kodierte Zahl derjenigen Rasterlinien übermittelt, in denen die Lichtbogendarstellung in der Videokamera 24 auftrat, wie oben beschrieben. Diese Zahl aus der Registerschaltung 32 (siehe Fig. 2) wird in einem der Lichtbogenlänge zugeordneten Zwischenspeicher abgespeichert und der Summe der früheren Zahlen zuaddiert, die dort bei früheren Durchläufen des Auswertezyklus abgespeichert wurden. In entsprechender Weise wird der Datensatz, der in der Registerschaltung 86 für die Anfangsposition des Lichtbogens 16 vorliegt, in einem dem Lichtbogen-Anfang zugeordneten Zwischenspeicher in der Auswerteschaltung 15 abgespeichert und der Summe der füheren, dort abgespeicherten Werte zuaddiert. Wenn diese Folge von Einlese- und Abspeicheroperationen sechsmal durchlaufen ist, dann wird das Resultat aus dem der Lichtbogenlänge zugeordneten Zwischenspeicher in ein Lichtbogenlängen-Istwertregister AARC übernommen und die Summe des dem Ausgangspunkt des Lichtbogens 16 zugeordneten Zwischenspeichers in ein Register,das der aktuellen Anfangsposition des Lichtbogens 16 ASTA zugeordnet ist. Die zuvor als Ubernahmeregister benutzten Zwischenspeicher werden dann wieder freigegeben.

Das in Fig. 4 zur Vereinfachung der Erläuterung der Vorgänge innerhalb der Auswerteschaltung 15 dargestellte Dienstprogramm hinsichtlich der Lichtbogenlänge beginnt mit Block 201 des dargestellten Flußdiagrammes, und zwar 60-mal je Sekunde, immer dann, wenn die Bildsignalverarbeitungs- und -Bewertungsschaltung 26 über die Leitung 17e ein Unterbrechungssignal abgibt. Dieses bewirkt, daß innerhalb der Auswerteschaltung

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von einem Leerlauf- oder Wartezustand auf Ablauf der in Fig. zusanraer.cjefaßten logischen Signalverarbeitungsfolge übergegangen wird. Dur erste Signalverarbeitungsschritt ist durch denBlock 201a wiedergegeben, der ancjeben soll, daß die Zahl 6 in ein INDEX-Register eingespeichert v/ird. Der Block 202 stellt die Übergabe das Datensatzes hinsichtlich des Istwertes der Lichtbogenlänge aus der Register-Verriegelungsschaltung 32 (siehe Fig. 2) dar. Im Block 203 wird der Datensatz über den Istwert der Lichtbogenlänge AARC dem Inhalt des schon erwähnten AbErageregisters oder Zwischenspeichers LTEMP zuaddiert. In der Block-Folge 204-205 wird in gleicher Weise der Istwert-Datensatz für die Ausgangsposition des Lichtbogens aus der Register-Verriegelungsschaltung 86 (siehe Fig. 2) übernommen und dem Zwischenspeicherinhalt im Register STEMP zuaddiert. Der Block 206 stellt die schrittweise Abnahme des INDEX-Registers um jeweils eine Einheit je Durchlauf des Flußdiagrammes dar. Wenn der Inhalt des INDEX-Registers noch nicht auf Null abgenommen hat, dann schließt sich an die beschriebene Routine hier eine Rückkehr in den Ausgangs-Ruhezustand an, der zu Beginn unterbrochen wurde, was durch den Block 208 repräsentiert ist. Wenn jedoch der Inhalt des INDEX-Registers auf Null zurückgezählt wurde, bewirkt die Verzweigung 207 einen Übergang auf Block 209. Dieser Block 209 repräsentiert eine Folge von logischen Funktionen mit dem Ergebnis der Division der im Register LTEMP abgespeicherten Zahl durch den Wert 6 und anschließende Abspeicherung des Quotienten im Register für den Istwert der Lichtbogenlänge AARC. In entsprechender Weise repräsentiert der nachfolgende Block 210 die Division des Inhalts des Registers STEMP durch den Wert 6 samt Abspeicherung des sich ergebenden Quotienten im Register für den Istwert des Ausgangspunktes des Lichtbogens 16 ASTA. Danach werden die beiden Register LTEMP und STEMP gelöscht^ was durch Block 211 angegeben ist, und es folgt mit Block 212 der Eintritt in die Routine für die Beeinflussung der Lichtbogenlänge.

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Das Ergebnis einer Informationsverarbeitung entsprechend der in Fig.4 dargestellten und oben erläuterten Dienstroutine für die Ermittlung der Istdaten des Lichtbogens 16 ist also eine Mittelwertbildung über sechs aufeinanderfolgende Lichtbogenlängen-Istwertaufnahmen sowie über sechs aufeinanderfolgende Ermittlungen des Lichtbogen-Ausgangspunktes während aufeinanderfolgender Meßperioden von je 0,1 sek. Dauer. Diese Mittelwertbildung erfolgt im dargestellten bevorzugten Beispielsfalle durch Autsuraderung sechs aufeinanderfolgender Meßergebnisse mit nachfolgender Teilung durch den Wert 6 und abschließender Löschung der dafür benutzten Kurzzeit-Register, um diese für eine neue Folge von sechs Meßvergangen zur Verfügung zu stellen. Wie oben bei der Erläuterung der in Fig. 2 wiedergegebenen Schaltung 26 angegeben, wird die Abtastfrequenz von dieser Bildsignalverarbeitungs- und -Bewertungsschaltung 26 bestimmt, die die Unterbrechungssignale mit einer Folgefrequenz von 60 Hz liefert und ihrerseits von den Zeilenabtastvorgängen der Videokamera 24 angesteuert ist. Somit erfolgt beim dargestellten Beispielsfalle ein Eintritt in die Routine zur Beeinflussung der Lichtbogenlänge 10-mal je Sekunde mit Übergang aus Block 206 über den bestätigenden Abfrageausgang des Abfrageblockes 207 zu Block 209, vergl. Fig. 4.

Bei der Signalverarbeitung innerhalb der Auswerteschaltung zur Gewinnung von Stellgrößen für die Ansteuerung der Stellglieder zur Beeinflussung der Lichtbogenlänge wird auf nachstehende Zusammenhänge zurückgegriffen, die in Fig. 5 A bis Fig. 5C in ihrer logischen Verkettung ebenfalls nach Art von Flußdiagrammen aufgeschlüsselt sind:

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- ys -

AARC - ALPS

ASTA - AREe¹

(2)

DELTA = KP(EI - E) + KP(E)

TI + KP(TD)((E2 - E1)-(E1 - E))

WLSP = WLSP1 + DELTA (KV/) FI VPSP = WLSPI + DELTA (KV)f7 + YE ELSP = ELSP1 + DELTA (KE) F3 CLSP = CLSP1 + DELTA (KC) F4 WL = WLOSF (WLSP) ES = ELOSF (ELSP) CS = CLOSF (CLSP) VP = VPOSF (VPSP)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

MD

Die vorstehend eingangs genannte Gleichung (1) bestimmt die Regelabweichung hinsichtlich der Lichtbogenlänge, also die arithmetische Differenz zwischen derjenigen Zahl, die den Istwert der Lichtbogenlänge AARC angibt, und derjenigen Zahl, die den Sollwert der Lichtbogenlänge ALPS repräsentiert. Dementsprechend betrifft die Gleichung (2) die Abweichung der Lichtbogen-Ausgangsposition YE, bei der es sich um die Differenz zwischen dem gerissenen Istwert der Lichtbogen-Ausgangsposition ASTA und der Sollwertoder Referenz-Ausgangsposition AREF handelt. Die Gleichung (3) ergibt einen Wert DELTA, der nicht nur eine Funktion der jüngst

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ermittelten Ragelabweichung hinsichtlich der Lichtbogonlänge darstellt, sondern in den auch die Regelabweichungen eingehen, die während der beiden vorangegangenen Zyklen zur Ermittlung der Regelabweichung gewonnen wurden. Diese Verknüpfungen erfolgen bei jedem Durchlauf der Steuer-Routine für die Lichtbogenlänge, wie sie in den Flußdiagrammen der Fig. 5 A bis Fig. 5 C dargestellt sind. Darin sind KP, TI und TD die oben schon definierten Konstanten. E bezeichnet den Lichtbogenlängen-Fehler, also die Regelabweichung hinsichtlich der Lichtbogenlänge, die beim momentanen Durchlauf als Informationssignal für die Regelabweichung ermittelt wird. E1 ist der Lichtbogenlängen-Fehler, der während des vorangegangenen Durchlaufes ermittelt und abgespeichert wurde, um bei der Berechnng im gegenwärtigen Durchlauf zur Verfugung zu stehen. Dementsprechend bezeichnet E2 den Lichtbogenlängen-Fehler, der zwei Durchläufe zuvor berechnet und abgespeichert wurde, um im gegenwärtigen Durchlauf zur Verfügung zu stehen.

Die oben angegebenen Gleichungen (4), (5), (6) und (7) bezeichnen Vorgaben für die Ansteuerung der vier unterschiedlichen Stellglieder, die auf die tatsächliche Länge des Lichtbogens 16 Einfluß haben. Wie in diesen Gleichungen zum Ausdruck gebracht, ergibt sich jeweils die Stellgröße, die während des momentanen Durchlaufes ermittelt wird, aus der zurückliegend ermittelten Stellgröße zuzüglich des Betrages DELTA, gewichtet um den zugehörigen Normierungsfaktor und Änderungsfaktor. So ist beispielsweise die Steuerungsgröße für die Schweißleistung WLSP gleich der zuvor ermittelten Stellgröße WLSP1 zuzüglich des Produktes aus DELTA, DW und F1. Das entsprechende gilt für die anderen erwähnten Gleichungen (5), (6)und (7), mit der Ausnahme, daß die Gleichung (5) einen zusätzlichen Anpassungsterm, YE_/aufweist, bei dem es sich um die Abweichung zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Lichtbogen-Ausgangsposition handelt.

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Wenn ein SchweißVorgang begonnen wird und dehalb keine Fehlerinformation erhältlich ist, dann werden die Werte für die vier Steuerungsvorgaben, die durch die Gleichungen (4 bis 7) definiert sind, dem Datensatz entnommen, der aus der Endstelle (Störgrößengeber 28) in die als Regler fungierende und bevorzugt als Rechner realisierte Auswerteschaltung 15 übergeben wird.

Die weiteren Gleichungen (8), (9), (10) und (11) stellen eine Modifikation der aus den logischen Verknüpfungen gewonnenen Steuerungsvorgaben mittels fester Normierungsfaktoren dar, um angepasste digitale Steuerungsinformationen zu erzielen, die für die speziell angewandten Digital-Analog-Umsetzer und den Schrittmotor geeignet sind, die mit den Stellgliedern zusammenwirken. So ergibt sich beispielsweise das digitale Signal WL, das in den Digital-Analog-Umsetzer 18b (siehe Fig. 1) eingespeist ist, aus einer Multiplikation des Normierungsfaktors WLOSF mit dem errechneten Ansteuerungswert WLSP. Mit dem Faktor ViLOSF erfolgt also eine Umsetzung des digitalen Steuersignales, um hinter dem Digital-Analog-Umsetzer 18b ein geeignetes Analogsignal zur Ansteuerung des Stellgliedes für die Leistungsversorgung zu erhalten. Entsprechend wird die errechnete Stellgröße ELSP mit dem Normierungsf aktor ELOSF verknüpft, ehe damit ein Digital-Analog-Umsetzer 18a beaufschlagt wird, der als Analogsignal eine Spannung abgibt, die die Vorschubgeschwindigkeit des Elektrodendrahtes über dessen Vorschubeinrichtung 22 als Stellglied bestimmt. Die errechnete Steuerungsgröße CLSP wird mit dem Normierungsfaktor CLOSF beaufschlagt, um ein geeignetes Eingangssignal CS für einen Digital-Analog-Umsetzer 18c zu erzielen, der als Analogsignal eine Spannung abgibt, die den Vorschub des kalten Zusatzdrahtes über dessen Vorschubeinrichtung 27 als Stellgerät bestimmt. Schließlich wird die

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Steuerungsgröße VPSP nach Maßgabe des NormLerungsfaktors VPOSF modifiziert, um ein Digitalsignal VP zu erhalten, welches die Anzahl der Schritte angibt, die der Schrittmotor an der Höhen-Verstelleinrichtung 20 für den Brenner 12 ausführen soll.

Fig. 5 Λ bis Fig. 5 C stellen nach Art von Flußdiagrammen die Steuerungs-Routine für Beeinflussung der Lichtbogenlänge dar. Wie obsn erläutert, wird 10-mal je Sekunde, nämlich jeweils im Anschluß an das Ende der Lichtbogenlängen-Dienstroutine gemäß Fig. 4, in diese Steuerungsroutine eingetreten. Der Eintritt in diese Routine ist durch den Block 221 in Fig. 5A angegeben. Der Block 222 repräsentiert die Übernahme einer Lichtbogenlängen-Vorgabe, die von der Bedienungsperson der Lichtbogen-Schweißvorrichtung 10 über das Endgerät in Form des Störgrößengebers 28 eingegeben wurde. Dieser Wert ist als ALPS bezeichnet. Der nachfolgende Block 223 soll die Bestimmung der Regelabweichum also des Fehlers E,als arithmetische Differenz zwischen dem gemessenen Lichtbogenlängen-Istwert AARC und der Sollwertvorgabe ALPS symbolisieren. Die Blockfolge 224 - 225 repräsentier den entsprechenden Dateneingang für die Vorgabe der Lichtbogen-Anfangsposition AREF aus dem Endgerät (Störgrößengeber 28 in Fig. 1) und die nachfolgende Bestimmung der Regelabweichung zu Betriebsbeginn, also des Fehlers YE in der Lichtbogenanfangsposition, d. h. die Differenz zwischen dem gemessenen Istwert über die Ausgangsposition des Lidhtbogens ASTA und der Sollwertvorgabe AREF. Die Blockfolge 226 bis 235 stellt die Berechnung des Inkrementbeträges DELTA dar. KP, TI und TD sind die Konstanten, die in den Registern innerhalb der Auswerteschaltung 15 abgespeichert zur Verfügung stehen. Weitere Register R1 bis R9 der Auswerteschaltung 15 sind Zwischenregister für die Abspeicherung von Zwischenresultaten im Verlaufe der logische Operationen, also der Stellgrößenberechnung. E1 ist der Lichtbogenlängenfehler, der während des vorangegangenen Durchlaufes dieser Routine bestimmt wurde, also 0,1 sek. zuvor. Entsprechend

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stellt E2 den Lichtbogtmlängcnfehler dar,der 0,2 sek. vorher bestrind.

Die Blockfolge 226 - 227 repräsentiert diejenigen Operationen, die den Ausdruck KP (E1 -E) bilden. Die Blockfolge 228 - 229 betrifft die Ermittlung des Ausdruckes KP (E)/TI. Die Blockfolge 230 - 233 bezeichnet die Ermittlung des armes KP (TD) ( (E2 - El)-(EI E)). Schließlich betrifft die Blockfolge 234 -235 das Survmicren dieser drei Anteile, um einen Wert zu erzielen, der im DELTA-Register abgespeichert wird. Die Blockfolge 236-237 bezieht sich auf die Produktbildung aus DELTA, Skalafaktor F1 und Faktor KW. Dabei sind auch die Faktoren F und K Konstante, die in Registern innerhalb der Auswerteschaltung 15 abgespeichert sind.

Das resultierende Produkt DELTA (KW)(F1) wird in das Zwischenregister R2 gespeichert. Das Register WLSP, in dem die zuvor bestimmte Schweißleistung abgespeichert ist, erhält den Inhalt des Zwischenregisters R2 hinzu^-addiert, um eine aktuellere Stellgröße für die Schweißleistung zu gewinnen, worauf sich der Block 238 bezieht. Die Plockfolge 239, 240 und 241 repräsentiert dementsprechend einen fortgeschriebenen, also aktuaHLsierten Stellwert für die Vertikaleinstellung des Brenners 12 als Funktion von DELTA und von denkbgespeicherten Konstanten, die dieser Vertikal posit ion zugeordnet sind. Auch der zuvor ermittelte Fehler über die Ausgangsposition des Lichtbogens YE wird zum Inhalt des Registers VPSP hinzu addiert, was durch Block 241a zum Ausdruck gebracht wird. In entsprechender Weise wird das Register ELSP für die Steuerungsvorgaben für die Elektrodendraht-Vaschubeinrichtung 22 fortgeschrieben, worauf sich die Blockfolge 212 - 244 bezieht, während die Blockfolge 245 24 7 entsprechende Operationen betrifft, um die Stellgröße für die Vorschubgeschv/indigkeit des kalten Zusatzdrahtes im Register CLSP zu aktual-isieren. Die Blockfolge 248 - 251

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repräsentiert unabhängige Multiplikationsschritte, die dazu dienen, die aktuallisierten Stellwerte nach Maßgabe der zugeordneten Normierungsfaktoren zu modifizieren, um Ausgangssignale zur Ansteuerung der Digital-Analog-Umsetzer 18a bis 18c und des Schrittmotors für die Verstelleinrichtung zu erhalten und damit die neuen Betriebsvorgaben zu erzielen, wie sie aktuell erforderlich sind und was durch die Blockfolge 252-253 dargestellt ist.

Am Eingang des Digital-Analog-Umsetzers 18b steht der Digitalwert WL an, und das analoge Ausgangssignal bestimmt die Einstellung der Leistungsversorgung 21 für den Lichtbogen 16. Mit dem Digitalwert VP wird der Schrittmotor innerhalb der Brennerhöhen-Verstelleinrichtung 20 angesteuert, mit der Folge, daß dieser Schrittmotor die entsprechende Anzahl von Positionierschritten ausführt und die Brennerhöhe auf die gewünschte Position einstellt. Der Digitalwert ES führt über den Digital-Analog-Umsetzer 18a zu einem analogen Ausgangssignal als Stellgröße für die Vorschubgeschwindigkeit des Elektrodendrahtes in der Vorschubeinrichtung 22. Das digitale Ausgangssignal CS von der Auswerteschaltung 15 speist einen Digital-Analog-Umsetzer 18c, dessen analoges Ausgangssignal die Vorschubeinrichtung 27 für eine bestimmte Vorschubgeschwindigkeit des kalten Zusatzdrahtes ansteuert. Die als Lichtbogenlängenfehler ermittelte Regelabweichung bewirkt also eine proportionale Veränderung hinsichtlich der Ansteuerung der verschiedenen Stellglieder in der Richtung, daß die ermittelte Abweichung verringert oder ganz aufgehoben wird. Die Berücksichtigung von Informationen hinsichtlich Abweichungen, die bei früheren Durchläufen dieser Routine ermittelt wurden, mindert diese Änderungen, um Regelschwingungen oder andere Instabilitäten zu vermeiden.

Die letzten Schritte der Steuerroutine für die Lichtbogenlänge sind durch die Blockfolge 254 - 255 wiedergegeben, bei

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3α

denen der Fehler E, der sich beim anstehenden Durchlauf ergeben hat, nun in das Register E1 eingespeichert wird, während der Fehler, der im Register E1 abgespeichert war, nun in das Register E2 übertragen wird. Auf diese Weise bleibt der gegenwärtig aufgezeigte Fehler, also die momentane Regelabweichung, festgehalten, um ihn bei den nächsten beiden Durchläufen dieser Routine berücksichtigen zu können.

Im Anschluß an diese letzten Schritte erfolgt eine Rückkehr in den Leerlaufzustand, der durch Block 208 in Fig. 4 repräsentiert ist, d. h., nach Ausführung des letzten Schrittes springt die Steuerroutine in diesen Zustand.

In Fig. 6 ist, wiederum nach Art von Flußdiagramman, ein Ablauf-Unterprogramm dargestellt, welches für den Start der vorstehend beschriebenen Routinen und für die Vorbereitung der Register für die Stellgrößen benötigt wird. In dieses Unterprogramm wird periodisch aus dem Verharrungszustand kommend der durch Block 261 repräsentiert ist, eingetr-eten. Wi'e durch Block 262 dargestellt, erfolgt zunächst eine Zustandsabfrage hinsichtlich der Schweißsteuerung· Die entsprechende Kennung wird immer dann gesetzt, wenn ein Lichtbogen besteht. Wenn diese Kennung gesetzt ist, dann folgt der weitere Programmablauf dem bestätigenden Zweig, und die Steuerungsinformationen (Stellgrößen) WLSP, VPSP, ELSP und CLSP werden vom Störgrößengeber 28 übernommen, das als Endgerät zur Dateneingabe durch eine Bedienungsperson dient. Diese Werte werden in zugeordneten Registern WLSP, VPSP, ELSP und CLSP abgespeichert.

Der nächste Teil der Unterprogrammes betrifft eine Abfrageserie von Steuermarken, bei denen die Marken W, V, E und C nach Maßgabe der Vorgaben über den Störgrößengeber 28 gesetzt oder gelöscht werden. Wenn eine Marke gesetzt ist, dann wir der zugeordnete Änderungsfaktor in einem Register abgespeichert,

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um bei der Ermittlung der Stellgrößen während der Lichtbogenlängen-Steuerroutine benutzt werden zu können. Insoweit eine Marke gelöscht ist, ist eine Information 0 in das entsprechende Register eingespeichert, wodurch verhindert ist, daß die Fehlerfunktion, DELTA, irgendeine Veränderung bei der zugeordneten Steuergröße hervorruft.

Im Block 267 erfolgt eine Überprüfung hinsichtlich einer Staier-Marke W. Wenn diese Marke gesetzt ist, führt der bestätigende Zweig auf Block 268 a, in dem eine Konstante, die in einem der Register abgespeichert ist, in das Register umgespeichert wird, welches den Wert KW enthält, der daraufhin bei der Bestimmung der aktualisierten Stellgröße für die Schweißenergie WLSP benutzt wird, wie es im Zusammenhang mit Fig. 5A bis 5C dargestellt wurde. Andererseits wird, wenn die Marke nicht gesetzt ist, die Zahl 0 in das Register KW eingespeichert, wie es Block 268b ausweist. In entsprechender Weise stellt die Blockfolge 269 - 270a und 270b das Abspeichern von entweder dem Viert KV oder O mit Register KV abhängig vom Status der Steuermarke V dar. Die Blockfolge 271, 272a und 272b repräsentiert dementsprechend das Abspeichern von entweder dem Wert KE oder O im Register KE, abhängig vom Status der Steuermarkp E. Entsprechend stellt die Blockfolge 273, 274a und 274b das Abspeichern von entweder dem Wert KC oder O im Register KC abhängig vom Status einer Steuermarke C dar.

Die Steuermarken können in beliebiger Kombination gesetzt sein, vorausgesetzt, daß wenigstens eine überhaupt gesetzt ist, und die Länge des Lichtbogens 16 wird über die beschriebenen Stellglieder nach Maßgabe der gesetzten Marken beeinflußt. Auf diese Weise reagiert wenigstens eine der als Stellglieder des Regelkreises vorgesehenen Vorrichtungen 20, 21, 22 oder

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auf ein Signal über eine Regelabweichung oder einen entsprechenden Parameter, um die Länge des Lichtbogens 16 zu beeinflussen.

Schließlich wird ein Freigabesignal an die Bildsignalverarbeitungs-und -Bewertungsschaltung 26 übermittelt, worauf sich der Block 266 in Fig. 6 unten bezieht;, woraufhin abschließend die Rückkehr aus diesem Unterprogramm in den Verharrungszustand erfolgt.

Nachdem die Schciltung 26 freigegeben ist, unterbricht sia den Verharrungszustand 60 mal je Sekunde, wie oben schon beschrieben, um 10-mal pro Sekunde den Ablauf der Lichtbogenlängen-Steuerroutine auszulösen. Um die Stellgrößenregister nur einmal extern vorzubereiten und daraufhin stets über die berechnete DELTA-Funktion zu aktual-isieren, ist bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel für ein Unterprogramm der Eintritt in den Block 264 über den negativen Zweig des Verzweigungsblockes 263 vorgesehen, wenn die Bildsignalverarbeitungs- und -Bewertungsschaltung 26 gesperrt ist. Wenn diese Schaltung 26 jedoch freigegeben ist, dann sind, wie aus Fig. 6 ersichtlich, Block 264, Block 265 und Block 266 über den bejahenden Zweig überbrückt.

V7enn die Marke gelöscht wird, was der Fall sein würde, wenn der Lichtbogen unterbrochen ist, dann führt der verneinende Zweig des Verzweigungsblockes 262 auf Block 263a, der die Abgabe eines Sperrsignales an die Bildsignalverarbeitungs- und -Bewertungsschaltung 26 repräsentiert, woraufhin unmittelbar der Eintritt in dieses Unterprogramm vor Block 275 erfolgt.

Zur Vereinfachung der Beschitäbung eines funktionstüchtigen Ausführungsbeispieles zur erfindungsgemäßen Regelschaltung ist in Fig. 4 bis Fig. 6 auf Flußdiagramme über die logischen Zusammenhänge der einzelnen aufeinander einwirkenden Informationen ge-

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wählt, zumal die als Regler fungierende Auswerteschaltung zwischen den Istwertaufnehmern bzw. Sollwertgebern einerseits und den Stellgliedern andererseits bevorzugt unter Verwendung universell einsetzbarer und miteinander verschaltbarer digitaler Baugruppen - zumal unter Verwendung der hoch integrierten Baugruppen in Form von Rechnern oder Mikroprozessoren - realisiert werden wird. Ebenso ist aber eine Realisierung in herkömmlicher, diskreter Schaltungstechnik unter Verwendung logischer Gatterschaltungen möglich, die den einzelnen beschriebenen Funktionsabläufen entsprechend logisch miteinander verknüpft sind, wie es für die Schaltung 26 in Fig. 2 dargestellt und diesbezüglich oben beschrieben ist.

Die Flußdiagramme gemäß Fig. 4 bis Fig. 6 beziehen sich auf eine Realisierungtier Regler-Auswerteschaltung 15 mittels des kommerziell erhältlichen Digitalrechners PDP11 mit opto-elektrischer Schnittstellen-Schaltung 15a des Types Monsant* MCT-6. Auch die Digital-Analog-Umsetzer 18a bis 18c sind kommerziell erhältlich, beispielsweise als Typen DAC 80 CB1-V (BB Als Videokamera 24 kann eine handelsübliche Kamera etwa des Types Dage-RG 50 Anwendung finden. Der als Datenendgerät bzw. Bedienungs-Eingabegerät ausgebildete Störgrößengeber 28 ist durch ein Gerät realisierbar,das unter der Bezeichnung Consul 580 kommerziell erhältlich ist. Für die Leistungsversorgung 21 wird zweckmäßigerweise eine Schaltung eingesetzt, die in der US-PS 3 912 980 beschrieben ist.

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Claims

DIPL-ING. H. STEHMANN DIPL.-PHYS. DR. K. SCHWEiNZER DIPL-ING. DR. M. RAU D-8500 NÜRNBERG ESSENWEINSTÄASSE 4-0 TELEFON 0» 11 / 20 37 27 TELEX 06/23135 Nürnberg, 22.08.77 120/53 Arcair Company, N.Memorial Drive, Route 33, Lancaster, Ohio / USA Ansprüche

1. Regelschaltung für die Länge eines Lichtbogens zwischen einem Elektroden-Paar, insbesondere bei automatischem Lichtbogenschweißen, gekennzeichnet durch einen optischen Aufnehmer (Videokamera 24) zur Abgabe von lichtbogenabhängigen Signalen mit anschließendem Umsetzer (Bildsignalverarbeitungsund -Bewertungsschaltung 26) zur Abgabe von für die Lichtbogenlänge charakteristischen Signalen zur Ansteuerung einer Stellgliedanordnung für Erzielen einer vorgegebenen Lichtbogenlänge.

2. Regelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgliedanordnung voneinander unabhängig ansteuerbare Stellglieder zur Beeinflussung der Lichtbogenlänge enthält.

3. Regelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Aufnehmer eine Videokamera (24) und der Umsetzer eine Bildsignalverarbeitungs- und -Bewertungsschaltung (26) ist.

4. Regelschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß_innerhalb der Videokamera (24) das helle Abbild des Licht-

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bogens (16) auf eine elektrische Signale lieferende Bildfläche projiziert ist.

5. Regelschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildsignalverarbeitungs- und -Bewertungsschaltung (26) eine Zählschaltung (Lichtbogenlängen-Zähler 37) für die Anzahl derjenigen Abtastzeilen erthält, die das helle Abbild des Lichtbogens (16) auf der Bildfläche der Videokamera (24) schneiden.

6. Regelschaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß derStellgliedanordnung ein Vergleicher (Auswerteschaltung 15) vorgeschaltet ist, der einerseits von einem Sollwert für die Lichtbogenlänge beaufschlagt und andererseits an die Bildsignalverarbeitungsund -Bewertungsschaltung (26) angeschlossen ist.

7. Regelschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in die Stellgliedanordnung mit Stellsignalen unterschiedlicher Zuordnung unabhängig voneinander eingreifbar ist.

8.Regelschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgliedanordnung eine steuerbare Lichtbogen-Leistungsversorgung (21) umfaßt, an die das Elektroden-Paar angeschlossen ist.

9. Regelschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgliedanordnung eine Elektrodendraht-Vorschubeinrichtung (22) zur Bewegung der einen der beiden Elektroden umfaßt.

10. Regelschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch

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gekennzeichnet, daß die Stellgliedanordnung eine Höhen-Verstelleinrichtung (20) für die vertikale Abstandseinstellung "" zwischen den Elektroden umfaßt.

11. Regelschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgliedanordnung eine Zusatzdraht-Vorschubeinrichtung (27) für Zufuhr kalten Zusatzdrahtes (23) im Schweißbereiche umfaßt.

12. Regelschaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein als Endstelle ausgebildeter Störgrößengeber (28) zugleich für Eingabe eines Lichtbogenlängen-Sollwertes ausgebildet ist.

13. Regelschaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den einzelnen Stellgliedern der Stellgliedanordnung Signalumsetzer zur Gewinnung angepasster Stellsignale vorgeschaltet sind.

14. Regelschaltung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vergleicher (als Regler fungierende Auswerteschaltung 15) für einerseits den Lichtbogenlängen-Sollwert, der vorgebbar ist, und andererseits den Lichtbogenlängen-Istwert aus der Bildsignalverarbeitungs- und -Bewertungs schaltung (26) zur Ansteuerung wenigstens eines der Stellglieder der Stellgliedanordung vorgesehen ist.

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