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Verfahren zur Regelung der abgegebenen Leistung eines Ge-
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nerators für Elektroschweiss-Elektroden, Verwendung des Verfahrens
sowie Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Regelung der abgegebenen Leistung eines Generators für Elektroschweiss-oder
-Löt-, insbesondere Mikroschweiss- oder Mikrolöt-Elektroden sowie Thermokompressions-Elektroden
(Band-Elektroden), die an seinem Ausgang anzuschliessen sind, eine Verwendung des
Verfahrens sowie eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens.
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In der Schweisstechnik ist es bekannt, den notwendigen Schweissstrom/Monopolar
durch schlagartiges Entladen einer Kondensatorbatterie durch das Werkstück zu treiben,
oder, und dies insbesondere in der Mikroschweisstechnik, als Wechselstrom. Die Leistung,
die auf das Werkstück abgegeben wird und dessen Erwärmung bewirkt, ist von der temperaturabhängigen
Werkstückimpedanz abhängig. Zur Optimierung, insbesondere von Mikroschweissverfahren,
wäre es wünschenswert, diese Leistung durch Eingriff auf den Schweissstromgenerator
während des Schweissprozesses zu beeinflussen, beispielsweise auf einen konstanten
Wert zu halten.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt deshalb ein Verfahren eingangs
genannter Art zu schaffen, mit dessen Hilfe die Leistung am Werkstück geregelt werden
kann.
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Zu diesem Zweck zeichnet es sich nach dem Wortlaut des Anspruchs 1
aus.
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Das Verfahren wird dadurch besonders einfach, dass man den wahren
Effektivwert des Generator-Ausgangssignals ermittelt und diesen als Regelgrösse
auf den Generator rückführt.
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Dadurch, dass sich der wahre Effektivwert eines beliebig geformten
Signals zu
und sich die Leistung an einer Last R zu
ergibt, wird mit der Erfassung des Effektivwertes U allenfalls I eine Gleichstromgrösse
als Leistungsmass ermittelt, die sich unmittelbar für die Modulation eines Generators
eignet.
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Erzeugt man mit dem Generator ein Wechselstromsignal mit relativ hohen
Frequenzen, so werden die generatorinternen Transformatoren in ihrem Volumen und
Gewicht drastisch reduziert. Die Erfassung des wahren Effektivwertes stellt aber
trotzdem sicher, dass auch bei üblicherweise mit der Frequenz zunehmenden Kurvenverzerrungen
am Generatorausgang eine eindeutige Indikation über die abgegebene Leistung erhalten
wird.
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Mit der rückgeführten Regelgrösse kann am Generator, je nach dessen
Ausbildung, eine Stellung der Amplitude des Ausgangssignals vorgenommen werden,
oder eine Stellung der Pulslänge bei konstanter Pulsrepetitionsfrequenz.
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Das erwähnte Verfahren kann je nach vorgesehenen Elektroden für die
Regelung der Heizleistung für Löt-, insbesondere Mikrolöt- oder Thermokompressions-Elektroden
oder für die Vorheizleistung und/oder die Schweissleistung von Schweisselektroden,
insbesondere von Mikroschweisselektroden, verwendet werden.
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Eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens zeichnet sich nach
dem Wortlaut des Anspruchs 6 aus.
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Der Generator kann dabei amplitudenmodulierbar sein, für Wechsel-
oder Gleichstrom-Ausgangssignale, um die Ausgangsleistung zu stellen oder, als Impulsgenerator
ausgebildet, pulsweitenmodulierbar.
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Um vorzugeben, wie lange ein Arbeitszyklus dauern soll, sind dem Generator
vorzugsweise Zeitsteuer-Schaltorgane zugeschaltet, die ihn für eine vorgebbare Zeitspanne
in Betrieb schalten. Die SOLL-Wert-Vorgabeeinheit ist dabei vorzugsweise mit den
Zeitsteuer-Schaltorganen verbunden, so dass in einer vorgebbaren zeitlichen Abfolge
vorgebbare SOLL-Werte die Generatorausgangsleistung steuern. Dies ist insbesondere
dann vorteilhaft, wenn z.B. zuerst eine Vorwärmphase der Elektroden vorgesehen ist,
vor der Schweissphase.
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Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren
erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Funktionsblock-Diagramm eines leistungsgeregelten
Generators für Schweisselektroden, Fig. 2 ein Funktionsblock-Diagramm analog zu
Fig. 1 für eine Lötelektrode,
Fig. 3 einen vergrösserten Ausschnitt
des Diagramms gemäss Fig. 1 für Schweisselektroden, zur Umschaltung von Vorheiz-
auf Schweissbetrieb, Fig. 4 ein Funktionsblock-Diagramm gemäss den Fig. 1 bis 3
mit amplitudenmoduliertem Generator, Fig. 5 ein Funktionsblock-Diagramm gemäss den
Fig. 1 bis 3 mit pulsweitenmodulierbarem Generator, Fig. 6 ein Funktionsblock-Diagramm
einer bevorzugten Ausführungsform des Generators, Fig. 7 ein Funktionsblock-Diagramm
gemäss Fig. 6 mit der Schaltungsanordnung der Generator-Ausgangsstufe.
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Gemäss Fig. 1 ist ein Wechselsignalgenerator 1 vorgesehen, dessen
Ausgang A1 und A2 auf die Anschlüsse zweier schematisch dargestellter Schweisselektroden
3a, 3b, insbesondere von Mikroschweiss-Elektroden, geführt ist. Bei diesen Elektroden
kann es sich um Punktschweiss-Elektroden oder um Spaltschweiss-Elektroden handeln.
Zwischen den Elektroden 3a und 3b liegt das Werkstück 5 und wirkt dazwischen als
temperaturabhängiger Widerstand R(#). Ueber dem Ausgang A1, A2 des Generators 1
und zwar vorzugsweise unmittelbar über den Elektroden 3a, 3b, um Zuführungsverluste
mitzuberücksichtigen, liegt ein Aufnehmer 7, zur Aufnahme des wahren Effektivwertes
(true root mean square), dessen Ausgang auf eine Vergleichseinheit 9 geschaltet
ist. Dem zweiten Eingang der Vergleichseinheit 9 ist der Ausgang einer SOLL-Wert-Vorgabeeinheit
11 zugeschaltet. Der Ausgang der Vergleichseinheit 9 ist auf einen Modulationseingang
des Generators 1 geführt. Durch Anliegen des als Regeldifferenz (#) wirkenden Ausgangsignals
der Vergleichseinheit 9 am Modulationseingang des Generators 1, wird dessen Ausgangsspannung
u(t) und/oder Ausgangsstrom i(t) so geregelt, dass der mit dem Aufnehmer 7 erfasste
Effektivwert U dem vorgegebenen Wert IST U entspricht.
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SOLL
Der "wahre" Effektivwert wird durch Integration
ermittelt und nicht durch Multiplikation des Scheitelwertes mit einem konstanten
Faktor, wie dies lediglich bei bekannten Signalformen zulässig ist. Aus dem wahren
Effektivwert U
ergibt sich die über dem Werkstück 5 liegende, mittlere Leistung P, die im Gegensatz
zur Momentanleistung im stationären Zustand nur noch nach Massgabe von zut) Zeitfunktion
ist, zu
Damit ist der erfasste Effektivwert U ein Mass für die IST vorliegende Arbeitsleistung,
die insbesondere in Funktion des Werkstück-Widerstandes R ) variiert. Bei konstantgehaltener
Generatorfrequenz f entsprechend konstanter Signal-0 periode T wird durch die Generatormodulation
- durch eine 0 Amplitudenmodulation oder eine Pulsweitenmodulation - auf den vorgegebenen
Effektivwert USOLL d.h. auf eine erwünschte Leistung P am Werkstück 5 geregelt.
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Ist es bei gewissen Anwendungen erwünscht, nicht mit Wechselstrom-,sondern
mit Gleichstromgrössen zu arbeiten, so kann, wie gestrichelt angegeben, am Ausgang
des Generators 1 eine Gleichrichter-Einheit 2 vorgesehen sein, oder wahlweise zugeschaltet
werden. Der mit dem Aufnehmer 7 aufgenommene wahre Effektivwert behält seine Funktion
bei, da
ist.
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Die in Fig. 1 für Schweisselektroden dargestellte Anordnung eignet
sich, wie aus Fig. 2 zu entnehmen ist, ebenso für Löt- oder Thermokompressions-Elektroden.
Auch bei diesen Elektroden variiert die mittlere Leistung an der zu beheizenden
Elektrodenpartie, in Fig. 2 mit dem temperaturabhängigen Widerstand R' (# dargestellt,
und zwar sowohl in der Aufwärmphase, bis thermisches Gleichgewicht erreicht ist,
dann aber auch in der Arbeitsphase durch thermischen Kontakt mit einem Werkstück,
da der dann vorliegende Temperaturgradient zwischen Elektrode und Werkstück einen
Wärmestrom Q zwischen Elektrode und Werkstück erzeugt, mit entsprechender Abkühlung
der Elektrode. Auch in diesem Fall kann mit der vorgeschlagenen Regelung die Elektrodenleistung
und damit die Temperatur konstant gehalten und/oder das Aufwärmen der Elektrode
beschleunigt werden.
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Aus der Schweizer-Anmeldung Nr. 3'768/80-5 des gleichen Anmelders
ist ein Verfahren bekannt geworden, um Schweisselektroden und insbesondere Mikroschweisselektroden
ohne Verwendung zusätzlicher Heizelektroden vor dem eigentlichen Schweissprozess
aufzuwärmen, um so allfällig auf dem Werkstück aufgebrachte Isolationsfilme bis
auf die metallische Schicht wegzuschmelzen. Nachdem die Isolationsschicht weggeschmolzen
ist, kontaktieren die Elektroden das Werkstück galvanisch, so dass der Schweissstrom
durch das Werkstück durchgetrieben werden kann.
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In Fig. 3 ist nun dargestellt, wie der erfasste Effektivwert als Kriterium
verwendet werden kann, in welchem Zeitpunkt vom Vorheizbetrieb auf Schweissbetrieb
umzuschalten ist.
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Die beiden Schweisselektroden 13a und 13b sind, wie in obgenannter
Anmeldung beschrieben, als Stromschleifen zu ihrer Arbeitsfläche F hin ausgebildet.
Im Vorwärmbetrieb sind die beiden Elektrodenschleifen durch Schliessen eines Schalters
S seriegeschaltet, so dass der Heizstrom ih(t) durch die
Elektrodenschleifen
fliesst. Im Bereich ihrer Arbeitsfläche F ist der ohmsche Widerstand der Elektrodenschleifen
gezielt erhöht, so dass sich dort die erforderliche Aufwärmung ergibt. Der analog
zu Fig. 1 vorgesehene Aufnehmer 17 nimmt den wahren Effektivwert UIST t der über
den Elektroden 13a und 13b liegenden Spannung u(t) allenfalls UDC auf. Bei durchgeschmolzenem
Isolationsfilm 6 und entsprechender galvanischer Kontaktierung des Werkstückes 5
durch beide Elektroden 13a, 13b nimmt der erfasste Effektivwert RIST, der über den
beiden Elektroden liegenden Spannung u(t), allenfalls UDC ab, da mit dem Werkstück
eine zunehmende Kurzschliessung der beiden Elektroden 13a, 13b erfolgt. Wird dieser
Effektivwert U einer IST schwellwertsensitiven Einheit 18 zugeführt, welche ein
den Schalter S öffnendes Signal dann abgibt, wenn der eingangsseitige Effektivwert
einen vorgebbaren Minimalwert U unterschreitet, so wird erreicht, dass die Seriemln
schaltung der beiden heizstromführenden Elektrodenschleifen dann unterbrochen wird
und die Generator-Ausgangsspannung u(t) allenfalls UDC als Schweissignal über den
Elektroden liegt. Sowohl im Heizbetrieb wie auch im Schweissbetrieb, als Regelsignal
gemäss Fig. 1 auf den Generator 1 rückgeführt, und mit Aufschaltung entsprechender
SOLL-Wertsignale für die Heizphase und die Schweissphase wird sichergestellt, dass
in beiden Betriebsarten eine gewünschte Leistung an die Elektroden resp. das Werkstück
abgegeben wird.
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In den Fig. 4 und 5 sind zwei Ausbildungsvarianten des Generators
1 dargestellt, gestrichelt umrandet. Gemäss Fig. 4 wird die Regeldifferenz A am
Ausgang der Vergleichseinheit 9 als Amplitudenmodulationssignal auf die Amplitudensteuerung
(AC) 2a des amplitudenmodulierbaren Generators geschaltet, gemäss Fig. 5 auf eine
Pulsweiten-Modulationssteuerung (PW) 2b des Generators. Durch beide Modulationsarten
wird
bei konstanter Frequenz f der Effektivwert U 0 des Ausgangssignals u(t) verändert.
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Es muss an dieser Stelle betont werden, dass selbstverständlich auch
die Erfassung des wahren Effektivwertes des Ausgangsstromes i(t), wie in Fig. 1
eingetragen, möglich ist, wobei eine solche Strommessung das Einfügen eines entsprechenden
Shunt-Widerstandes oder eines Stromwandlers in den Ausgangskreis des Generators
erforderlich macht, was wiederum mit einer entsprechenden Verlustleistung verbunden
ist.
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In Fig. 6 ist der bevorzugterweise verwendete pulsweitenmodulierbare
Generator gemäss Fig. 5 mit vorzugsweise vorzusehenden Vorgabemöglichkeiten dargestellt.
Am Generator 1 wird mit der pulsweiten Steuereinheit (PW) 2b die Pulsweite bezogen
auf die Pulsrepetitionsperiode T gesteuert.
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0 Die Periode T wird mit einer Vorgabeeinheit 20 eingestellt.
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0 Die Pulsamplitude û kann mittels einer weiteren Vorgabeeinheit
22 vorgegeben werden, falls erwünscht. Zur Steuerung der zeitlichen Betriebsabfolge
ist eine Zeitsteuerschaltung 24 vorgesehen, womit extern, beispielsweise die Zeiten
TB, T1, T2 und T vorgegeben werden können. Mit dem Aus-3 gegeben gangssignal der
Dauer T B wird der Generator 1 während dieser Zeitspanne in Betrieb gesetzt. Die
einer ersten Arbeitsphase zugeordnete Zeit T1 schaltet ein erstes SOLL-Wertsignal
USOLL1 einer ersten SOLL-Wertvorgabeeinheit 111 während T1 auf die Vergleichseinheit
9 auf, das Ausgangs-T2 signal T2 ein zweites SOLL-Wertsignal USoLL2 während T2 etc.
Dadurch wird ermöglicht, in unterschiedlichen Arbeitsphasen unterschiedliche Leistungen
P1, P2, P3 an den Elektroden vorzugeben und auszuregeln. Dies ist beispielsweise
beim anhand von Fig. 3 dargestellten Aufheiz-Schweissverfahren wünschenswert.
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In Fig. 7 ist ausgehend vom Funktionsblock-Diagramm von Fig. 6 eine
Realisationsform des Generators 1 dargestellt, wobei die Schaltungsanordnung seiner
Ausgangsstufe detailliert aufgeführt ist. Der gestrichelt umrandete Generator 1
umfasst eine Pulsweiten-Steuereinheit 2b, wie sie als integriertes Bauteil im Handel
erhältlich ist und als "switch mode regulator control circuit" bekannt ist. Mit
einem vorzugsweise verstellbaren RC-Glied 31 wird die Pulsrepetitionsfrequenz einem
in der Pulsweiten-Steuereinheit 2b handelsüblich integrierten Oszillator (gestrichelt
angedeutet), vorgegeben. An ihren Ausgängen B und Bb erscheinen a b zwei relativ
zueinander um 1800 phasenverschobene pulsweitenmodulierte Impulszüge, die je der
Basis eines Transi-und QaundQ zugeschaltet werden. Die beiden Emitter stors 0a der
Transistoren Qa und Qb sind je über die Primärwicklung eines Transformators Tor
rest Tr auf die Speisespannung a b U geschaltet. Die Sekundärwicklungen der Transformatoren
0 Tr und Tr steuern die Basis-Emitterstrecke je eines a b weiteren Transistors Qc
und Qd an. Ihre Kollektor-Emitterstrecken sind seriegeschaltet, wobei der Kollektor
des einen Transistors,Qc, auf den positiven Anschluss, der Emitter des zweiten Transistors,
Qdr auf den negativen zweier seriegeschalteter gross dimensionierter Kondensatoren
C1 und C2 geführt sind. Die Emitter-Kollektorverbindung E c der beiden Transistoren
Qc' Qd ist über die Primärwicklung eines Ausgangs-Transformators Tr auf die Verbindung
KK der c beiden Kondensatoren Cc, Cd geführt. Die Sekundärwicklung dieses Transformators
Trc ist auf die Ausgänge A1 und A2 zum Anschluss der Elektroden, geführt.
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Gesteuert durch die Gegentaktsignale an Ba, Bb und über die Transistoren
Qc' Qdt wirdwabwechselna, einen der als Spannungsquellen wirkenden Kondensatoren
Cc resp.Cd c esp. Cd auf den Ausgangstransformator Tr geschaltet. Dabei ist der
Frequenzc gang der beiden Kreise Cc, Q , und Cdt Qd' Tr so c c c nd Cdl #d' Trc
so gewählt, dass an AL, A2 Ausgangsimpulse erscheinen, deren
Effektivwert,
an der Einheit 7 erfasst, mit dem Pulsweiten-Verhältnis (duty-cycle) an B resp.
Bb variiert.
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a b Das Aufladen der Kondensatoren C und Cd erfolgtüber c d folgt
über eine Netzeinheit 26, eine Gleichrichtereinheit 28, der ein Glättungskondensator
30 nachgeschaltet ist. Wie bereits beschrieben, wird das Ausgangssignal des Generators
1 an den Klemmen A1 und A2 über den Effektivwert-Aufnehmer 7, der beispielsweise
als Differenzverstärker ausgebildeten Vergleichseinheit 9' zugeführt, deren Ausgang
über einen bezüglich seines Frequenzganges entsprechend ausgelegten Regler 32 auf
den Pulsweiten-Steuereingang der Pulsweiten-Steuereinheit 2b geführt ist. Dem zweiten
Eingang der Vergleichseinheit 9' wird ein an der Vorgabeeinheit 11 vorgebbarer SOLL-Wert
zugeführt. Die Vorgabeeinheit 11' sowie der Betrieb des Generators 1 werden im zeitlichen
Ablauf durch die Zeitvorgabeeinheit 24 angesteuert. Es können beispielsweise folgende
handelsübliche Bauteile verwendet werden:
| 4 |
| Bezeichnung Pos. Nummer Hersteller Typ |
| Messwertaufnehmer 7 Analogue |
| für den wahren Device |
| Effektivwert oder |
| (TRMS) Burr-Brown |
| Pulsweiten- 2b Motorola |
| Steuereinheit oder |
| (switch mode Philips |
| regulator oder |
| control Thomson |
| circuit) |
| Zeitsteuer- 24 Zähler mit |
| einheit Vorwähl- |
| schaltern |
Leerseite