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Verfahren und Vorrichtung zur Abstands steuerung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachführungssteuerung des
Abstands eines Gegenstands von einer Oberfläche, welche Höchstfrequenzurellen (Ultrahochfrequenzwellen)
reflektiert, durch Auswertung eines Steuersignals, das beim Vorbeiführen des Gegenstands
vor der Oberfläche erzeugt wird. bie Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung
zur Durchführung dieses Verfahrens, die besonders1für eine automatische Schweißvorrichtung
verwendbar ist, welche metallische Werkstücke beliebiger Formen und Abmessungen
mittels eines Schweißbrenners verschweißt.
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Auf dem Gebiet der automatischen Schweißung von Werkstücken aus Metall
ist es bekannt, einen Schweißbrenner, dem ein Schweiß'-draht zugeführt wird, und
das Werkstück, auf dem eine Schweißraupe erzeugt werden soll, relativ zueinander
zu verschieben.
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Das geschieht durch eine Bewegung des Schweißbrenners relativ zum
Werkstück, wobei unabhängig von der Umrißform des Werkstücks ein im wesentlichen
gleich bleibender Abstand des Schweißbrenners von der Oberfläche oder Kante des
Werkstücks aufrechterhalten wird.
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Die zur Nachführungssteuerung dieses Abstands bekannten Vorrichzungen
kann man in zwei Haupttypen gruppieren, nämlich die mechanisch gesteuerte und die
optisch gesteuerte Nachführung.
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Bei der mechanisch gesteuerten Nachführung sind ein oder mehrere bezüglich
des Schweißbrenners feststehende Fühler in Berührung mit dem Werkstück, und eine
Veränderung ihrer Lage führt im allgemeinen zur Veränderung eines elektrischen Signals,
das durch Auswertung einer Fehlerspannung eine Nachführungsanordnung steuert.
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Bei der optisch gesteuerten Nachführung sind die Fühler ersetzt durch
Anordnungen, welche Veränderungen der Beleuchtungsstärken im Bereich des sichtbaren
oder unsichtbaren Lichts messen und ebenfalls ein auswertbares veränderliches Signal
liefern.
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In bestimmten bekannten Vorrichtungen ist die Nachführungsschaltung
numerisch gesteuert.
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Diese Arten der Nachführungssteuerung sind jedoch besonders wegen
ihrer mechanischen Empfindlichkeit oder Kompliziertheit nicht in allen Fällen befriedigend.
Außerdem sind die bekannten Vorrichtungen, besonders bei numerischer Steuerung nicht
geeignet, allen Umrißprofilen der zu schweißenden Werkstücke mit genügend kleinen
Toleranzen zu folgen.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die angegebenen Nachteile
zu beheben und ein einfaches,jedoch genaues und zuverlässiges Verfahren zur Nachführungssteuerung
des Abstands zwischen einem Gegenstand, wie einem Schweißbrenner oder einer Elektrode,
und dem Werkstück zu schaffen, das besonders die Herstellung von für alle Schweißbedingungen
geeigneten automatischen Schweißgeräten ermöglicht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet,
daß gegenüber der zu folgenden Oberfläche mindestens ein Richtstrahlerelement angeordnet
wird, das eine Höchstfrequenzvelle aussendet und bezüglich des Gegenstands fixiert
ist, daß gleichzeitig die von der Oberfläche auf das Strahlerelement
reflektierte
Strahlung empfangen wird, daß die Phase der ausgesandten Welle und der reflektierten
Welle verglichen wird und der Abstand zwischen dem Werkzeug und der Oberfläche in
Abhängigkeit vom Wert des Signals, das aus dem Vergleich gewonnen wird, und bezüglich
einem vorgegebenen Abstand gesteuert wird.
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Die zur Durchführung dieses Verfahrens dienende erfindungsgemäß Vorrichtung
ist im wesentlich gekennzeichnet durch eine Energiequelle fürHb.chstfrequenzwellen,
die mit einem ersten und einem zweiten kreuzweise angeordneten Richtkoppler durch
jeweils deren ersten Arm verbunden ist, wobei die zweiten Arme jeweils mit den beiden
Eingängen einer Höc#requenzphasen-Detektor-Komparatorschaltung verbunden sind, wobei
die beiden Ausgänge des Detektors mit einem Nachführkreis verbunden sind und wobei
ferner der zweite Arm des zweiten Richtkopplers außerdem mit einem Richtstrahlerelement
verbunden iSt, das bezüglich des Gegenstands fixiert ist und gegenüber der reflektierenden
Oberfläche angeordnet werden kann.
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Die Erfindung wird mit weiteren Einzelheiten und Vorteilen erläutert
durch die folgende Beschreibung von Ausführungsbei'#-spielen, die sich auf die beigefügten
Zeichnungen beziehen.
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Hierin zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. 2 eine schematische Darstellung
eines Schweißgeräts, das mit zwei erfindungsgemäßen Vorrichtungen ausgerüstet ist;
Fig. 3 schematisch eine Einzelheit der Art der Nachfu~hrungst steuerung und Fig.
4 eine schematische Darstellung einer abgewandelten Fors der Nachführungssteuerung.
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Fig. 1 zeigt eine metallische Oberfläche S, die sich bezüglich eines
Schweißbrenners T in Richtung des Pfeils F bewegt, wobei der Abstand d zwischen
dem Schweißbrenner T und der Oberfläche S
durch Nachführungssteuerung
im wesentlichen konstant gehalten werden soll. Zu diesem Zweck weist die erfindungsgemäße
Vorrichtung eineHöchstfrequenzwelle4Liefernde Energiequelle 1 auf, die mit einem
ersten Richtkoppler 2 und einem zweiten Richtkoppler 3 verbunden ist. Diese beiden
Richtkoppler können aus Elementen bestehen, die unter der Bezeichnung Richtkoppler2OdB
an sich bekannt sind. Der erste Richtkoppler 2 weist einen ersten Arm 4 auf, der
senkrecht zu einem zweiten Arm 5 verläuft, wobei diese beiden Arme in an sich bekannter
Weise durch gekreuzte Schlitze 6 gekoppelt sind. Die kopplung zwischen den beiden
Armen ist durch die Pfeile f1 und f2 angegeben. Der erste Arm 4 des ersten Richtkopplers
2 ist mit dem ersten Arm 7 des zweiten Richtkopplers 3 verbunden, der vom gleichen
Typ wie der Richtkoppler 2 ist. Der zweite Arm 8 des zweiten Richtkopplers 3; ist
mit einem Richtstrahlerelement 9 verbunden, das im folgenden einfach als Antenne
bezeichnet ist, das bezüglich des Schweißbrenners T fixiert und im aresentlichen,
senkrecht zur Oberfläche S angeordnet ist. Die Verbindungzwischen dem Arm 8 und
der Antenne 9 kann beispielsweise durch ein biegsames toaxialkabel 10 von geeigneter
Impedanz hergestellt sein.
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Der zweite Arm 8 des zweiten Richtkopplers 3 ist außerdem mit einem
ersten Eingang i1 eines symmetrischen Detektors 12 verbunden, dessen zweiter Eingang
13 mit dem zweiten Arm 5 des ersten Richtkopplers 2 verbunden ist. Der Detektor
12 ist von an sich bekanntem Typ und weist zwei Höchsfrequenzdioden 14 und 15 auf.
Der Detektor 12 bildet einen Phasenkomparator, dessen Arbeitsweise im folgenden
erläutert ist. Die Ausgänge der Dioden 14 und 15 sind jeweils mit den beiden Eingän#gen
16 und 17 einer Sulvtraktionsschaltung 18 verbunden, die einen Teil eines Nachführungskreises
19 bildet. Der Ausgang 26 der Sub#raktionsschaltung 18 ist mit einem Gleichspannungsverstärker
21 für das Vergleichssignal C verbunden, das selbst eine nicht mechanische Stellvorrichtung
steuert, die den Abstand d des Schweißbrenners T von der Oberfläche S bei seinem
festgelegten Wert hält.
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Die Strahlungsquelle 1 ist von an sich bekannter Art und besteht beispielsweise
aus einer sogenannten#unn"-Diode, deren Frequenz in einem Bereich zwischen 8 und
10 GHz festgelegt ist.
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Die Energiequelle 1 speist zwei Richtkoppler 20dB 2 und 3. Im Betrieb
wird die vom ersten Richtkoppler 2 abgenommene Energie im Arm 5 durch ein an sich
bekanntes Kurzschlußglied 22 reflektiert und auf den Eingang 13 des symmetrischen
Detektors 12 zurückgestrahlt. Die vom zweiten Richtkoppler 3 abgenommene Energie
wird der Antenne 9 zugeleitet, und die von der gegenüber der Antenne angeordneten
leitenden Oberfläche S reflektierte Energie wird zum Eingang 11 des Detektors zurückgeleitet.
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Eine an sich bekannte Belastung 23, die im Arm 7 des zweiten Richtkopplers
3 angeordnet ist, absorbiert die Restenergie und verhindert, daß diese zur Energiequelle
1 zurückgeleitet wird.
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Der symmetrische Detektor bildet einen Phasenkomparator zwischen der
unmittelbar an der Energiequelle abgenommenen Energie und der von der Oberfläche
S reflektierten Energie. Die an den beiden Höchstfrequenzdioden 14 und 15 empfangene
Gleichspannung ist identisch, wenn zwischen den beiden Eingängen ein Phasenunterschied
von 900 besteht.
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Das bewegliche Kurzschlußglied 22, das den von der an der Energiequelle
abgenommenen Energie durchlaufenen Weg verlängert oder verkürzt, wird so geregelt,
daß die stationären Wellen der Antenne kompensiert werden, d.h. es wird so geregelt,
daß zwischen den beiden Dioden eine Spannung 0 vorhanden ist, wenn sich vor der
Antenne keine reflektierende Oberfläche befindet.
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Wenn die Anordnung so eingeregelt ist, sind vor der Antenne in Abständen
von einer Viertelwellenlänge &4 eine Reihe von Nachfuhrungspunkten vorhanden,
wobei sich der erste Punkt in einem Abstand von A bezüglich des der Oberfläche S
nächstliegenden Endes der Antenne-befindet. Die Punkte mit Ausgangsspannung O weisen
eine Spannungsveränderung in Abhängigkeit vom Abstand d gemäß einer alternativen
Sequenz auf.
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Man kann verschiedene Typen der Xltexale herstellen, indem man beispielsweise
die Abmessungen des Wellenleiters in Richtung der Dicke allmählich verringert und
einen Reflektor vorsieht, wodurch die Messung bei 900 möglich ist. Wie die Fig.
2 und 3 erläutern, kann man eine Nachführungsanlage mit zwei erfindungsgemäßen Vorrichtungen
herstellen. Im Fall einer Schweißmaschine ist bespielsweise ein Schweißbrenner 24
gerade voreiner Stoßstelle zwischen zwei zu verschweißenden gebogenen Werkstücken
25 und 26 angeordnet und erzeugt eine Schweißraupe 27. Unter diesen Bedingungen
wird der Schweißbrenner bezüglich zweier zueinander senkrechter Achsen X und Y mittels
einer senkrechten Antenne 28 und einer waagerechten Antenne 29 nachgeführt, wobei
die letztgenannte Antenne vor der Drehachse A der Gesamtanordnung Schweißbrenner
24 - Antenne 29 angeordnet ist (Fig. 2).
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Die Antennen orientieren den Schweißbrenner mittels eines Motors 30
und liefern die Richtung des Geschwindigkeitsvektors.
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Die Geschwindigkeit wird von einem Resolver 31 in Form einer Wechselspannung
geliefert und auf die beiden Vektoren X und Y verteilt, welche die Verschiebung
eines nicht gezeigten, den Schweißbrenner tragenden Wagens steuern.
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Wie Fig. 4 erläutert, kann man in bestimmten Fällen den Schweißbrenner
32 in einer feststehenden Stellung halten, wobei die vorrückende Schweißlinie stets
zum Schweißbrenner in einem Winkel von 900 gehalten werden soll. In diesem Fall
ist das Werkstück 33 auf einer Drehplatte oder einem ähnlichen Element befestigt,
das einen Motor und einen Resolver 34 aufweist, der mit der Drehachse verbunden
ist. Die Antenne 35 liefert dem Motor die notwendigen Steuerwerte, um die Tangente
t zur waagerechten Schweißlinie zu halten#und der Resolver bewirkt die Veränderung
der Koordinaten des Berührungspunkts des Schweißbrenners. Die Geschwindigkeit der
Verschiebung des Schweißbrenners ist in diesem Fall die algebraische Summe von zwei
Geschwindigkeiten, nämlich der gewünschten und angezeigten Schweißgeschwindigkeit,
und der Komponenten, die aus der Veränderung der Koordinaten des Berührungspunkts
des Schweißbrenners mit der Schweißlinie resultieren.