DE2906751A1

DE2906751A1 - Abstandsregeleinrichtung beim plasmaschweissen

Info

Publication number: DE2906751A1
Application number: DE19792906751
Authority: DE
Inventors: Raymond G Wilkins
Original assignee: Thermal Dynamics Corp
Current assignee: Victor Equipment Co
Priority date: 1978-05-19
Filing date: 1979-02-21
Publication date: 1979-11-22
Also published as: IT1164937B; MX146646A; AU529329B2; ES477762A1; FR2426385B1; GB2021822B; FR2426385A1; BE868655A; CA1121466A; JPS54152644A; IT7967439A0; US4170727A; ZA79583B; AU4437679A; GB2021822A

Description

THERMAL DYNAMICS CORPORATION West Lebanon, New Hamshire/U.S.A.

Abstandsregeleinrichtung beim Plasmaschweißen

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Abstandsregeleinrichtung beim Plasmaschweißen

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Plasmabrennern, die vielfach zum Schneiden, Schweißen und Auftragssprühen verwendet werden, und ist insbesondere auf eine Abstands- oder Höhenregeleinrichtung eines Plasmabrenners gerichtet.

Plasmabrenner, die auch als Iiichtbogenbrenner bezeichnet werden, sind für Arbeitsvorgänge, wie Schneid-, Schweiß- und ähnliche Vorgänge an Werkstücken bekannt und arbeiten so, daß ein Plasmastrahl, ^ier aus ionisierten Gaspartikeln besteht, auf ein Werkstück gerichtet wird. Ein Ausführungs-Taeispiel eines derartigen Gasplasmabrenners ist beispielsweise in der US-Patentschrift 3 813 510 beschrieben. Danach wird das zu ionisierende Gas, z. B. Stickstoff, durch Kanäle im Brennermechanismus derart zugeführt/ daß vor der Spitze einer negativ geladenen Elektrode ein Wirbel des Gases entsteht. Die Schweißspitze, die sich nahe dem Ende der Elektrode befindet, besitzt eine ausreichend hohe Spannung, die ihr zugeführt wird, so daß zwischen der Elektrode und der Schweißspitze ein Spaltlichtbogen überspringen kann, wodurch das Gas erhitzt wird, so daß es ionisiert. Eine Leitgleichspannung zwischen der Elektrode und der Schweißspitze hält einen Leitlichtbogen oder auch nicht zum Werkstück übertragenen Lichtbogen aufrecht. Das ionisierte Gas im Spalt erscheint als Flamme und tritt über die Spitze hinaus vor, wo es von der Bedienungsperson wahrgenommen werden kann. Das Ausmaß des Leitiichtbogens und der Flamme, die aus praktischen Gründen hier als gemeinsam existent betrachtet werden können, hängt von der Energiezufuhr im Spalt ab, d. h. vom Lichtbogenstrom und auch vom Druck des in den Spalt und aus dem Plasmabrenner heraus gedrückten Gases. Der Leitlichtbogen stellt eine Lichtquelle dar, durch die die Bedienungsperson die richtige Stellung des Plasmabrenners vor Beginn des Schweiß- oder Schneidvorganges beobachten kann. Wenn im

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tatsächlichen Betrieb der Leitlichtbogen- eingeschaltet ist, ist ein schlaufenförmxger Lichtbogen zu sehen, der aus dem Plasmabrenner hervortritt. Wenn der Kopf des Plasmabrenners dann zum Werkstück abgesenkt wird, schwenkt der Lichtbogen von der Elektrode zum Werkstück über, weil die Impedanz des über das Werkstück gehenden Strompfades niedriger als die Impedanz des Strompfades durch die Plasmabrennerspitze ist.

Die Güte des Schnittes im Werkstück hängt von zahlreichen veränderlichen Größen ab, z. B. dem Lichtbogenstrom, der Art des Metalls, dessen Dicke und dem Abstand des Plasmabrenners über dem Metall. Bei einem vorgegebenen Werkstück werden Strom und Abstandshöhe derart eingestellt, daß danach die Güte des Schnittes festgelegt ist. Bisher war es üblich, die Höhe des Plasmabrenners über dem Werkstück nach Belieben einzustellen, wofür man üblicherweise einen Abstand von etwa 6 bis 7 mm wählte. Der Plasmabrenner wurde dazu einfach von Hand herabgezogen, und der Abstand wurde gemessen. Anschließend hielt man den Brenner während des ganzen Schneidvorgangs mit diesem Abstandswert über dem Werkstück.

Mit zunehmender Anwendung numerischer Maschinensteuerungen für mit Plasmabrennern ausgeschnittene Muster treten so große Anordnungen auf, daß der Bedienungsmann nicht mehr in der Lage ist, den einmal von Hand eingestellten Abstandswert des Plasmabrenners über dem Werkstück einzuhalten. Er muß dann über den Aufspanntisch für das Werkstück hinüberklettern, um die jeweiligen Einstellungen vorzunehmen.

Es gibt außerdem zahlreiche Gründe, weswegen es unerwünscht ist, die Stellung des Plasmabrenners zu fixieren und sie während des gesamten Schneidvorganges festzuhalten. Bei Plasmabrenners ist die nominelle Höhe über dem Werkstück, d. h. der Abstand, etwa 6 mm mit einer zulässigen Abweichung von - 50 %. Die Arbeitstische sind nicht vollständig eben, und bei sehr langen Werkstücken kann eine geringe Abweichung von einer vollständig ebenen Ausführung zu einer erheblichen Abweichung des Abstandswertes zwischen den beiden Werkstückenden führen.

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Bei gewölbten Werkstücken wird das Problem noch größer. Es kann außerdem vorkommen, daß wellige Werkstücke bearbeitet und geschnitten werden sollen. Nach herkömmlicher Art werden Höhe und Lichtbogenstrom nach dem Schneidvorgang durch die Senken eingestellt. Dies bedeutet aber, daß der Schnitt im Bereich der Erhebungen zu breit wird.

In Anbetracht der Nachteile, die mit einer fest eingestellten Höhe des Plasmabrenners verbunden sind, hat es bereits zahlreiche Versuche gegeben, die Höhe während des Schneidvorganges automatisch zu steuern, so daß der Abstand zwischen dem Werkstück jeweils konstant ist. Es gibt auch Versuche, die Stellung des Plasmabrenners vor dem Schneiden, Schweißen oder dem Sprühauftragsvorgang anders als in dem oben beschriebenen Verfahren von Hand auf eine bestimmte Abstandsstellung zu bringen. Diese entwickelten Versuche und Einrichtungen haben jedoch die oben genannten Schwierigkeiten nicht vollständig behoben oder neue Schwierigkeiten eingeführt.

Es wurden mechanische und elektrische Fühlereinrichtungen verwendet, um einen festen Höhenabstand nach einer Anfangseinstellung des Plasmabrenners über dem Werkstück einzuhalten. Die mechanischen Fühlereinrichtungen verwenden eine oder mehrere Rollen, die vom Plasmabrenner nach unten und zu den Seiten abstehen. Die Rollen laufen über das Werkstück, und Veränderungen seiner Höhe gegenüber dem Plasmabrenner werden von ihnen erfaßt und auf einen die eingestellte Höhe des Plasmabrenners steuernden Motor gegeben. Das mit dieser Technik verbundene Problem besteht darin, daß die Fühler vom Plasmabrenner einen endlichen Abstand haben müssen und deshalb für ein Werkstück, wie etwa ein welliges Metall, nicht geeignet sind, daß die Fühler außerdem relativ platzaufwendig sind und durch die beim Schneiden entstehenden Metallperlen verschmutzt werden und damit nicht mehr einwandfrei arbeiten. Wenn außerdem nur ein einziger Fühler verwendet und in Richtung der Bewegung angeordnet wird, ergibt dieser ein Fehlersignal, wenn sich der Plasmabrenner einer Werkstückkante nähert.

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Es wurden auch kapazitive und induktive Sensoren vorgeschlagen. Diese Sensoren oder Fühler sind um den Plasmabrenner herum angeordnet und erfassen kapazitive oder induktive Veränderungen, wenn sich der Abstand des Plasmabrenners zum Werkstück ändert. Die Kondensatoren oder Induktionsspulen sind Teil eines Oszillators, der in Abhängigkeit der Veränderungen der Kapazität oder Induktivität seine Frequenz ändert. Die Frequenzänderung wird festgestellt und zur Steuerung des Servomotors für die Höheneinstellung des Plasmabrenners verwendet. Derartige Sensoren sind klobig, und es kann sich ungenaue Arbeitsweise aufgrund der vom Schneiden entstehenden Metallperlen, die auf den Fühler gelangen, einstellen. Auch die Rauschstörungen aufgrund des Lichtbogens haben Einfluß auf die Einstellgenauigkeit, und die vom Lichtbogen ausgehende Hitze führt leicht zur Zerstörung der Fühler. Eine Wasserabschirmung, die in vielen Fällen den Lichtbogen umgibt, kann den Fühler beeinflussen und seine Arbeitsweise stören.

Auch ein Abtasten der Lichtbogenspannung während des Schneidoder SchweißVorganges wurde bereits für eine Regelung der fest eingestellten Höhe des Plasmabrenners über dem Werkstück eingesetzt. Diese Technik ist verwendbar, weil die Lichtbogenspannung, die zwischen Plasmabrenner und Werkstück gemessen werden kann, von zahlreichen Veränderlichen abhängt, zu denen auch die Höhe des Plasmabrenners über dem Werkstück, Art und Dicke des Metallwerkstückes, die Teillichtbogen, die horizontale Vorschubgeschwindigkeit, der Gasdruck und der Lichtbogenstrom gehören. Zwar weisen Plasmabrenner Stromregulatoren auf, um den elektrischen Strom des Plasmabrenners zu regulieren,. jedoch können für ein vorgegebenes Werkstück ansonsten alle übrigen Variablen mit Ausnahme der Höhe des Plasmabrenners konstant gehalten werden. So lassen sich dann Veränderungen des Höhenabstands zum Werkstück aufgrund von Schwankungen in der Lichtbogenspannung messen, und diese Meßgrößen können zur Steuerung eines den Plasmabrenner in seiner Höhe einstellenden Servomotors verwendet werden.

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Letzteres System stellt bereits eine Verbesserung gegenüber elektrischen oder mechanischen Fühlern dar, reguliert jedoch nur die zuvor richtig eingestellte Abstandshöhe. Das System läßt sich nicht dazu verwenden, den Höhenabstand einzuregulieren, bevor der Lichtbogenstrom eingeschaltet wurde und sich während des Schneidvorganges stabilisiert hat. Der Grund dafür sind transiente Vorgänge in der Lichtbogenspannung, bis sich der Lichtbogen stabilisiert hat/ so daß kein endgültiger "Regulier"-Wert vorhanden ist, bevor der Schnitt ausgeführt wird.Außerdem muß bei jedem vorgegebenen Schnitt ein Bezugs-Lichtbogenspannungswert geschaffen werden, gegenüber dem der wirkliche Lichtbogenspannungswert in Vergleich gesetzt wird. Es muß also zuvor bestimmt werden, welche Lichtbogenspanming dem gewünschten Plasmabrenner-Abstand über dem Werkstück entspricht.

Der Einstellvorgang bei einem derartigen System läßt sich auf Lichtbogenspannungswerte gründen, die der Maschinenhersteller für diesen Zweck in Tabellenform mit liefert, oder kann anhand eines Lichtbogenspannungswertes vorgenommen werden, der während eines Testschnittes festgestellt wurde. Eine derartige Einstelltabelle enthält zugehörige Lichtbogenspannungen bei verschiedenen Plasmabrennerhöhen, Werkstückarten, Gasströmen und dgl. Der Bedienungsmann hat dann die Lichtbogenspannung auf diesen Bezugsspannungswert einzurichten. Auch nach Befragen der Einstelltabelle ist jedoch ein Testschnitt erforderlich, um die Genauigkeit des Bezugslichtbogenspannungswertes zu überprüfen.

In jedem Fall muß der Abstand des Plasmabrenners zum Werkstück zu Anfang mit Hilfe eines Meßlineals oder einer Abstandslehre oder mit einem Gasstrahlgegendruck-Meßsystem eingestellt werden. Das Gasstrahlgegendruck-System gibt die Möglichkeit, die Anfangseinstellung der Höhe des Plasmabrenners über dem Werkstück durch Messen des Gasgegendrucks in der Zuführleitung vorzunehmen. Dies Verfahren hat sich zwar als nützlich herausgestellt, ist jedoch in seiner Anwendung begrenzt und vereinfacht den Einstellvorgang bei nachfolgenden Höhenregulie-

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rungen nicht. Es ist vor allem auf Plasmabrenner beschränkt, die eine weite Gaszuführöffnung haben und am Brennerende keine Öffnungsverengung aufweisen. Eine beträchtliche Anzahl von Plasmabrennern läßt sich mit dieser Methode also nicht einstellen.

Das mit Messung des Gasgegendrucks arbeitende System läßt sich außerdem nicht verwenden, wenn der Leitlichtbogen oder der Arbeitslichtbogen eingeschaltet sind, denn durch den Lichtbogen wirdder Gasdruck verändert, und der Schneidvorgang selbst verändert den Gasgegendruck drastisch.

Mit der Erfindung soll demnach eine Einrichtung geschaffen werden, mit der vor Beginn des eigentlichen Plasmabrennerbetriebs dessen Höhe über einem Werkstück eingestellt werden kann. Die Einrichtung soll in der Lage sein, während des Schneid- oder SchweißVorganges die Höhe des Plasmabrenners über dem Werkstück zu steuern. Dabei ist es vor Vorteil, wenn die Höheneinstellung^- und Regulierungseinrichtung automatisch eine Lichtbogenbezugsspannung festlegt, die während des Schneidoder Schweißvorganges verwendet werden kann.

Bei der Erfindung wird ein Spannungsmeßsystem eingesetzt, das eine Spannung mißt, die sich abhängig von der Höhe des Plasmabrenners verändert, und zwar während der Leitlichtbogen auftritt. Es konnte eine von der Höhe des Plasmabrenners über dem Werkstück abhängige Spannung während des Brennens des Leitlichtbogens festgestellt werden, während versucht wird, einen schwachen Arbeitslichtbogen zu erzeugen, speziell zum Zweck einer anfänglichen Höheneinstellung des Plasmabrenners. Zwischen Plasmabrenner und Werkstück besteht als Teil der Speisungsschaltung ein RC-Schaltkreis. Es wurde beobachtet, daß bei abgeschalteter Leistungszufuhr für den Arbeitslichtbogen zwischen dem Plasmabrenner und dem Werkstück eine Spannung vorhanden ist, die bei Änderungen des Höhenabstands des Brenners über dem Werkstück Veränderungen erfährt.

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Gemäß der Erfindung wird die Höhe des Plasmabrenners eingestellt, während der Leitlichtbogen eingeschaltet ist. Es bildet sich eine Spannung zwischen dem Plasmabrenner und dem Werkstück aufgrund des Leitlichtbogens aus, der einen elektrischen Kontakt zum Werkstück herstellt. Die Spannung steigt an, wenn sich der Plasmabrenner dem Werkstück nähert. Diese Spannung wird mit einer anfangs von Hand eingestellten Bezugsspannung verglichen, die mit Hilfe eines nach Höhenstufen geeichten Einstellknopfes eingestellt werden kann. Dies ist möglich, weil die während des Betriebes mit dem Leitlichtbogen gemessene Spannung nicht von der Dicke des Werkstückes, seiner Art und dgl. abhängt. Ein Höhenservomotor für den Plasmabrenner hebt oder senkt diesen entsprechend dem Vergleichsergebnis. Ist die Anfangshöhe einmal eingestellt, dann wird die Maschine auf Schneid- oder Schweißbetrieb umgeschaltet. Der Motor wird augenblicklich abgeschaltet, um die Stellung des Plasmabrenners zu fixieren, während eine Bezugsspannung aufgrund des Schweiß- oder Schneidbetriebes automatisch berechnet wird. Die Bezugsspannung hängt vom festgelegten Höhenwert und von der Spannung des Arbeitslichtbogens ab, der ja eingeschaltet ist. Der Bezugswert wird gespeichert und als Bezugsgröße für einen Vergleich mit der Lichtbogenspannung während des Betriebes verwendet, um dem Höhenservomotor für den Plasmabrenner Steuergrößen zuzuführen.

Die Erfindung wird nun anhand eines in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A ein Schemaschaltbild eines Regelkreises für die Anfangshöheneinstellung und die laufende Höhenregelung des Plasmabrenners über dem Werkstück;

Fig. 1B ein Schemabild einer Steuerschaltung zum Steuern der Schalter in der Fig. 1A.

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Die Plasmabrennerkathode 10, die Plasinabrennerspitze 20 und das Werkstück 26 sind mit einer Speisungsschaltung 28 verbunden. Es versteht sich für den in diesem Bereich der Technik erfahrenen Fachmann, daß die Speisungsschaltung tatsächlich komplizierter ist und in der Zeichnung lediglich vereinfacht dargestellt ist. Soweit diese Teile jedoch bekannt sind, brauchen zum Verständnis der Erfindung die Einzelheiten nicht näher erläutert zu werden.

Es ist ebenfalls bekannt, daß der Plasmabrenner so betrieben wird, daß zunächst der Leistungsstrom zwischen der Kathode und der Brennerspitze 20 fließt, so daß ein in der Figur mit 22 angedeuteter Leitlichtbogen entsteht. Später wird zwischen Kathode und Werkstück die Spannung angelegt, und wenn der Brenner nahe genug an das Werkstück herangebracht worden ist, geht der Arbeitslichtbogen von der Plasmabrennerspitze 20 zum Werkstück über, wie dies schematisch mit der Linie 24 angedeutet ist. In bekannter Weise wird aus einer im Plasmabrenner vorhandenen Zuführleitung Gas zugeführt. Der Leitlichtbogen schneidet das Werkstück nicht.

Die Höhenregelschaltung für den Plasmabrenner weist einen Widerstand 30 und einen Kondensator 32 auf, an welchen eine sogenannte Lichtbogenspannung auftritt. Wenn der Leitlichtbogen eingeschaltet ist, und der Plasmabrenner nahe genug an das Werkstück 26 herangebracht wird, liegt an der RC-Schaltung eine Spannung an. Der Fachmann erkennt, daß die RC-Schaltung auch weggelassen werden kann, wenn der Leitlichtbogen ein kontinuierlicher Gleichstromlichtbogen ist. Der RC-Schaltkreis ermöglicht jedoch auch guten Betrieb bei pulsierendem Lichtbogen, so daß man vorzieht, ihn in der Schaltung zu behalten. Die Größenwerte der RC-Schaltung sind nicht besonders kritisch. Der Widerstand sollte jedoch groß genug sein, so daß nur ein kleiner Ableitstrom fließt, und die Zeitkonstante sollte so groß sein, daß bei einem pulsierenden Lichtbogen die Spannung geglättet wird. Für ein Ausführungsbeispiel wurden 2,5 kXL für den Widerstand R und 3 000 \iF für den Kondensator C gewählt.

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Bei Betrieb mit Leitlichtbogen sind, wie später noch erläutert wird, die Relaiskontakte 1a geschlossen und die Relaiskontakte 1b offen. Die Schaltung enthält ein Potentiometer 36, einen 1,6 kilWiderstand 38 und einen 10 kilWiderstand 34, welche als Komparator wirken und die Lichtbogenspannung mit einem im Potentiometer 36 von Hand eingestellten Bezugswert in der Weise vergleichen, daß am Verbindungspunkt 62 ein Fehlerspannungswert auftritt.

Für einen gegebenen Plasmabrenner kann man annehmen, daß die am Widerstand 34 anliegende Eingangslichtbogenspannung zwischen 9 und 75 V liegt und gegenüber Masse negativ ist. Der Bezugsspannungswert für die Anfangshöhe, der mit dem Potentiometer 36 eingestellt wird, welches in cm oder mm geeicht sein kann, liegt zwischen 0 und +12 V und wird dem 1,6 kJL Widerstand 38 zugeführt. Wenn die Bezugsspannung durch die Lichtbogenspannung abgeglichen ist, ist am Verbindungspunkt 62 keine Spannung vorhanden. In anderen Fällen steht dort ein positiver ,oder negativer Fehlerspannungswert an, dessen Vorzeichen und Größe davon abhängt, ob der Plasmabrenner in Bezug auf den am Potentiometer 36 eingestellten Höhenwert zu hoch oder zu tief steht. Wenn beispielsweise das Potentiometer auf +6 V eingestellt ist, dann wird der Plasmabrenner hoch oder runter gefahren, bis die Eingangsspannung den Wert -37 V erhält, in welchem Punkt die Fehlerspannung dann den Wert Null Volt hat.

Diese Fehlerspannung wird durch ein Rauschfilter 44 und über die geschlossenen Kontakte 2a einem Motorantrieb 52 zugeleitet, der den Plasmabrenner in solcher Richtung verstellt, daß die Fehlerspannung gegen Null geht. Das Rauschfilter 44 mag zwar nicht unbedingt erforderlich sein, ist jedoch zum Ausfiltern hochfrequenter Rauschspannungen, die über die Zuführleitungen aufgenommen werden, von Vorteil. Das Filter besitzt vorzugsweise eine Grenzfrequenz von 150 Hz und einen Verstärkungsfaktor von 1.

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Die Art und Weise, wie der Fehlersignalausgangswert beim Ausgang des Rauschfilters 44 den Stellmotor 52 antreibt, hängt von der Art des verwendeten Stellservomotors ab. Wird ein Gleichstrommotor verwendet, dann kann die Fehlerspannung unmittelbar als Eingangssignal auf den Gleichstrommotor gegeben werden, da die Drehzahl des Motors von der Größe der Gleichspannung und seine Richtung von deren Polarität abhängt, so daß Richtung und Geschwindigkeit der Verstellung korrekt gesteuert werden und die' Verstellung mit einem schleichenden übergang in die korrekte Höheneinstellung übergeht. Dadurch wird überschwingen vermieden.

Für einen Wechselstrommotor werden zwei Eingangsleitungs-Paare verwendet, die jeweils einen Wechselspannungseingangswert mit konstanter Amplitude erhalten und von denen das eine Leitungspaar für den Antrieb des Motors in der einen Richtung und das andere Leitungspaar für den Motorantrieb in der entgegengesetzten Richtung vorgesehen ist. In diesem Fall wird eine gewöhnliche Schaltung verwendet, um auf die Polarität des Fehlerspannungswertes eingehen zu können und damit die Auswahl zu treffen, welches Leitungspaar den Wechselstromwert von konstanter Amplitude zugeführt erhält. Für die Geschwindigkeitssteuerung wird ein anderer üblicher Schaltkreis verwendet, der auf die Amplitude der Fehlerspannung reagiert und das Tastverhältnis oder die relative Einschaltdauer des Wechselspannungssignals steuert.

Wenn das Fehlerspannungssignal den Wert Null erreicht, dann steht der Motor still, wobei dann der Plasmabrenner in die richtige Höhe eingestellt ist, die durch Einstellung des Einstellpotentiometers 36 festgelegt worden ist. Die Relaiskontakte 1a und 2a, die in der vorangehenden Beschreibung als geschlossen angegeben wurden, während der Leitlichtbogen eingeschaltet ist, werden durch eine in der Fig. 1B wiedergegebene Steuerschaltung gesteuert. Ein von Hand zu betätigender Schalter SO wird auf die Stellung P geschaltet, die den Leitlichtbogenbetrieb bestimmt. Hierdurch wird die positive Spannung +V auf die Relaisspulen 1, 2 und 3 gegeben, wodurch die Kontakte 1a, 2a und 3a geschlossen und der Kontakt

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Ib geöffnet wird. Es sei noch hinzugefügt, daß in dieser Zeit das Zeitverzögerungsrelais TD nicht erregt ist.

Bei diesem Betriebszustand mit eingeschaltetem Leitlichtbogen und bei Einstellung des Plasmabrenners in der gewünschten Höhe über dem Werkstück, wird der Handschalter 60 in die Position C umgelegt, womit der Schneidbetrieb bestimmt ist. Mit dieser Schaltstellung C des Schalters kann, obgleich nicht dargestellt, ein Schaltvorgang zum Zuführen der benötigten Spannung zwischen Werkstück und Plasmabrennerkathode verbunden sein, so daß dann der Arbeitslichtbogen sich einstellt und der Schneidvorgang beginnt.

Unmittelbar nach dem Umschalten des Schalters 60 auf die Stellung C wird das Verzögerungsrelais TD erregt, während die Relais 1 und 2 abgeschaltet werden, das Relais 3 jedoch erregt bleibt. Die Verzögerung des Verzögerungsrelais TD beträgt 1 bis 2 s, bis die Relaiskontakte TD und TD, betätigt werden.

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Während dieser Zwischenperiode von 1 bis 2 s sind somit die Kontakte 1a und 2a offen und die Kontakte 1b und 3a geschlossen.

Durch öffnen der Kontakte 2a wird die Brennerstellung fixiert, bis ein neuer Bezugswert, der zur Verwendung während des Schneidvorganges brauchbar ist, erzeugt und gespeichert werden kann. Durch das Schließen der Kontakte 1b werden ein weiterer Widerstand 40, ein Verstärker 42 mit Verstärkungsfaktor 1, ein Digital/Analog-Wandler 46 und ein Vorwärts/Rückwärtszähler 48 in die Schaltung einbezogen. Der Zähler 48 zählt vorwärts oder rückwärts, wobei die Richtung von der Polarität des Fehiersignais am Ausgang des Filters 44 abhängt. Die zum Zählen erforderlichen Impulse werden ihm von einem Oszillator 50 über die geschlossenen Kontakte 3a zugeführt. Die im Zähler 48 enthaltenen, digitalen Zählwerte werden im D/A-Wandler 46 in eine analoge Spannung umgesetzt und mittels eines Verstärkers 42 mit Verstärkungsfaktor 1 als erster Eingangswert des Komparator zugeführt, der aus den Widerständen 40 und 34 besteht. Der zweite Eingangswert zum

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Komparator ist die Lichtbogenspannung.

Der Zähler verändert seinen Zählstand so, daß das Fehlersignal am Komparatorausgang 62 zu Null geht. Eine Zeitverzögerung von 1 bis 2 s ist deswegen eingeführt, damit der Arbeitslichtbogen zunächst einen stabilen Zustand annehmen kann. Es ist anzunehmen, daß die dem Komparator zugeführte Lichtbogenspannung am Eingang des Widerstands 34 demjenigen Spannungswert entspricht, der während des nachfolgenden Arbeitsvorganges auftreten soll, sofern die Höhe des Plasmabrenners über dem Werkstück konstant gehalten werden soll, da der Plasmabrenner sich in der richtigen Höhe zum Werkstück befindet, die während des Betriebes mit Leitlichtbogen festgelegt worden ist. Da die Rückkopplungsanordnung einschließlich Zähler 48 in diesem Zeitpunkt die Fehlerspannung zu Null abgeglichen hat, stellt der Eingangsspannungswert am Komparatoreingangswiderstand 40 den korrekten Bezugsspannungswert für den Schneidbetrieb dar, der zur Aufrechterhaltung der Abstandshöhe auf den anfangs eingestellten Wert benötigt wird. Dieser Bezugsspannungswert für den Schneidbetrieb ist am Ende der 1 bis 2 s dauernden Zwischenphase der Betriebszeit des Verzögerungsrelais TD festgelegt. Die Kontakte TD schließen dann,

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so daß das Relais 2 erregt wird. Die Kontakte TD, öffnen und lassen damit das Relais 3 abfallen. Dadurch öffnen die Kontakte 3a des Relais 3, so daß keine weiteren Zählimpulse mehr zum Ändern des Zählerinhaltes an den Zähler 48 geführt werden können. Auf diese Weise wird die Bezugsspannung für den eigentlichen Schneidbetrieb im Zähler 48 gespeichert. Durch die Erregung des Relais 2 werden die Schalterkontakte 2a geschlossen, wodurch das Fehlersignal wieder zum Motorantrieb durchgeschaltet ist. Danach werden, wenn sich der Brenner horizontal über das Werkstück bewegt, Veränderungen in der Höheneinstellung des Brenners unmittelbar am Fehlersignalausgang 62 festgestellt, und dieser Fehlersignalausgangswert steuert den Motor wie beim Betrieb mit Leitlichtbogen, so daß die Höhenveränderung auskorrigiert wird.

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Die in der Fig. 1B gezeigte Stellung N des Schalters 60 bezeichnet eine Neutral-Stellung zwischen den Schalterstellungen P und C. Es versteht sich darüber hinaus für den Fachmann, daß die Schalteranordnungen auch durch Festkörper-Schaltvorrichtungen anstelle von Relais ersetzt werden können. Auch können die in Verbindung mit der Zeichnung angegebenen speziellen Werte abgewandelt werden, um besonderen Anforderungen gerecht zu werden.

Bei Einsatz der beschriebenen Einrichtung braucht der Bedienungsmann nicht mehr über den Werktisch klettern und durch Messung die Anfangshöhe des Plasmabrenners über dem Werkstück einzustellen. Die gewünschte Höhe des Plasmabrenners kann durch Drehen am Potentiometer 36 eingestellt werden, und letzteres kann in cm oder mm geeicht sein, denn die Lichtbogeneingangsspannung während, des Betriebes mit Leitlichtbogen hängt nicht von der Art und der Dicke des Werkstückes ab. Der Schneidbetrieb kann einfach durch Umlegen eines Schalters eingeleitet werden, wobei dann eine Bezugsspannung für den Schneidbetrieb automatisch erzeugt und gespeichert wird, welche der Anfangseinstellung des Plasmabrenners über dem Werkstück entspricht.

Die Beschreibung in Verbindung mit Plasmabrenner-Schneideinrichtungen läßt sich selbstverständlich auf Einrichtungen übertragen, die beispielsweise einen Plasmaschweißvorgang oder einen Aufsprühvorgang durchführen. Es sei in diesem Zusammenhang jedoch bemerkt, daß beim Plasmasprühen lediglich ein nicht auf das Werkstück übergehender Lichtbogen verwendet wird, ein Arbeitslichtbogen also, wie er im vorherstehenden Zusammenhang in die Betrachtung einbezogen war, also nicht entsteht. Beim Plasmasprühen wird in der Plasmabrennervorrichtung in dem elektrischen Lichtbogen ein Pulver zum Schmelzen gebracht und dieses dann auf das Werkstück gesprüht. Folglich wird in einem System, das im Plasmasprühbetrieb arbeitet, nur der Teil verwendet, der sich mit dem Betrieb während des Leitlichtbogens befaßt.

Mit der Erfindung ist eine Steuereinrichtung für einen Plasma-

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brenner geschaffen, mit der eine Anfangseinstellung des Plasmabrenners in einer gewünschten Höhe über dem Werkstück während der Zeit vorgenommen werden kann, in der zwischen der Plasmabrennerkathode 10 und der Plasmabrennerspitze 20 ein Leitlichtbogen 22 ausgebildet ist. Hierbei wird die Spannung zwischen der Kathode 10 und dem Werkstück 26 gemessen und diese Spannung mit einem Eingangsspannungswert zur Steuerung der Brennerhöheneinstellung verglichen. Im Betrieb des Plasmabrenners mit Arbeitslichtbogen wird zunächst ein Bezugswert dadurch erzeugt, daß die unmittelbar nach dem Einschalten des Arbeitslichtbogens entstehende Spannung zwischen Kathode und Werkstück gespeichert wird, die dann später als Bezugswert für die geregelte Aufrechterhaltung des Höhenabstands des Plasmabrenners über dem Werkstück dient.

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L e e r s e i t e

Claims

PATENTANSPRÜCHE

( 1.j Plasmabrennereinrichtung, in welcher zwischen

Zitier Brennerkathode und der Brennerspitze ein Leitlichtbogen erzeugt wird und die einen Stellmotor zum Anheben und Absenken des Plasmabrenners gegenüber einem Werkstück aufweist, gekennzeichnet durch eine Komparatoreinrichtung, der ein erstes und ein zweites Eingangssignal zugeführt wird und die ein Fehlersignal abgibt, welches dem Stellmotor(52J zugeführt wird, der eine Höhenverstellung des Plasmabrenners gegenüber dem Werkstück abhängig von der Größe und Polarität des Fehlersignals durchrführt, eine veränderbare Einstelleinrichtung (36) zum Zuführen eines wählbaren, die Anfangshöheneinstellung bestimmenden Bezugsspannungswertes auf einen Eingang des Komparators, und Mittel (48,46,42), um auf den zweiten Eingang des Komparators eine der Spannung zwischen Brennerkathode (10) und Werkstück (26) entsprechende Spannung zu geben, wodurch die Fehlerausgangsspannung den Wert Null annimmt, wenn die Höheneinstellung des Plasmabrenners (10,20) über dem Werkstück (26) einen durch die gewählte Anfangshöhen-Bezugsspannung bestimmten Wert hat.
2. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Zuführen einer Betriebsbezugsspannung zu einem Eingang des Komparators und Steuermittel zum wahlweisen Zuführen entweder der Anfangshöhen-Bezugsspannung oder der Betriebs-Bezugsspannung vorgesehen sind, so daß die Steuermittel dem Eingang bei eingeschaltetem Arbeitslichtbogen die Arbcitsbcsugsspannung zuführen.
3. Plasmabrenner nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Mittel zum automatischen Erzeugen der Arbeits-Bezugsspannung, die eine Einrichtung zum Erzeugen einer variablen Spannung abhängig von einer Steuereingangsgröße enthalten, die ihr zugeführt werden, um die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Polarität der Steuerspannung zu erhöhen oder zu

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erniedrigen, wobei der Fehlersignalausgang vom Komparator
die Steuereingangsspannung zur Schaltung zum Erzeugen der
variablen Spannung darstellt und ihre Ausgangsspannung
der Bezugsspannungswert ist.
4. Plasmabrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung Mittel enthält, um unbeeinflusst durch Änderungen des Fehlerspannungssignals
die Ausgangsspannung der die variable Spannung erzeugenden
Einrichtung zu fixieren.
5. Plasmabrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung Mittel zum wahlweisen Trennen des Fehlersignals vom Motor (52) enthält, so daß diese während des Umschaltvorgangs vom Leitlichtbogen auf den Arbeitslichtbogen (24) es der die variable Spannung erzeugenden
Schaltungseinrichtung ermöglicht, einen Bezugsspannungswert entsprechend der Plasmabrennerhöhe über dem Werkstück (26), die während der Betriebsphase mit Leitlichtbogen (22) eingestellt wurde, zu erzeugen.
6. Plasmabrenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die die variable Spannung erzeugende Schaltung einen Oszillator (50) als Quelle für Zählimpulse, einen Vorwärts/Rückwärts-Zähler (48) mit einem Eingang zur Aufnahme eines Fehlerspannungssignals und einem weiteren Eingang zur Aufnahme der Zählimpulse als Zählsignal und einen Digital/Analog-Wandler (46) aufweist, der mit dem Vorwärts/Rückwärts-Zähler (48) verbunden ist und dessen Zählzustand in einen analogen Spannungswert umsetzt.
7. Plasmabrenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Fixieren der Ausgangsspannung einen Schalter (3a) zum Abblocken der Zählimpulse zwischen Oszillator (50) und Zähler (48) enthalten.

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8. Plasmabrenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet/ daß der Komparator einen ersten, einen zweiten und einen dritten Widerstand (34,38,40) und einen Ausgangsknotenpunkt (62) aufweist, daß alle Widerstände mit einem Ende mit dem Knotenpunkt (62) verbunden sind, der erste Widerstand (34) mit seinem zweiten Anschlußende den zweiten Eingang des Komparators darstellt, der zweite Widerstand mit der Stelleinrichtung (36) für die variable Spannung und der dritte Widerstand mit der die variable Spannung erzeugenden Schalteinrichtung (48,46,42) verbunden sind.
9. Plasmabrenner nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Schalter als Steuermittel zum wahlweisen Anschließen des einen Eingangs entweder an die Bezugsspannung für die Anfangshöheneinstellung oder die Bezugsspannung für den Plasmaschneidbetrieb, durch die wahlweise der zweite oder der dritte Widerstand (38,40) von der Komparatoreinrichtung abgetrennt werden und dem jeweils anderen der Widerstände (38,40) der Komparatoreingangswert zugeführt wird, während der Knotenpunkt (62) den Komparatorausgang darstellt.
10. Plasmabrenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung zur Erzeugung der variablen Spannung einen Oszillator (50) zur Erzeugung von Zählimpulsen, einen Vorwärts/Rückwärts-Zähler (48) mit einem Eingang für die Vorwärts/Rückwärts-Steuerung, dem das Fehlersignal zugeführt wird, und einem Zähleingang für die Zählimpulse, und einen Digital/Analog-Wandler (46) aufweist, der an den Vorwärts/Rückwärts-Zähler (48) angeschlossen ist und dessen Zählzustand in einen Analogspannungswert umsetzt.
11· Plasmabrenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Fixieren der Ausgangsspannung einen Schalter (3a) enthalten, der die Zufuhr der Zählimpulse zum Vorwärts/Rückwärts-Zähler (48) unterbricht.

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12. Plasmabrenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Brennerelektrode (10) und das Werkstück (26) ein RC-ParalLelkreis eingeschaltet ist.
13. Plasmabrenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als variable Steuermittel ein nach Höhenabstand des Brenners über dem Werkstück geeichtes Potentiometer (36) vorgesehen ist.

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