DE3134346C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Überwachung der Güte der von einer Wechselstrom- Widerstandsschweißmaschine erzeugten Schweißnaht, die sich aus Schweißpunkten zusammensetzt, welche durch aufeinanderfolgende Halbwellen gebildet sind, wobei von der Schweißspannung die reaktive Komponente abgetrennt und die Wirkkomponente zur Auswertung weiterverarbeitet wird.

Die US 33 89 239 zeigt ein tragbares Schweißnaht- Prüfgerät, bei welchem die Schweißspannung über Abgriffe an den Schweißelektroden und der Schweißstrom über eine auf eine der Schweißelektroden geschobene Meßspule gemessen werden, um die Energie zu ermitteln, die zum Schweißen eines Schweißpunktes aufgewandt wird. In einer Schaltung wird ein dem Schweißstrom proportionales Signal von dem Spannungssignal subtrahiert, und in einer anderen Schaltung wird die Differenz mit dem Schweißstrom multipliziert. Das von dieser Multiplikation herrührende Produktsignal wird dann integriert und dazu benutzt, ein Anzeigegerät oder eine Schweißsteuervorrichtung zu steuern.

Die DE 23 46 561 B2 betrifft eine Schaltung zum Regeln elektrischer Widerstandsschweißvorgänge, bei der aus während eines Schweißvorgangs gemessenen Schweißparametern wie beispielsweise Strom, Spannung, Widerstand zwischen den Elektroden, Ist-Werte gewonnen werden, die mit einem durch Versuchsschweißungen gewonnenen Soll-Wert verglichen werden, wobei der Soll-Wert veränderbar ist und beim Abweichen der Ist-Werte von dem Soll-Wert eine Änderung wenigstens eines der Schweißparameter vorgenommen wird. Die Änderung des Soll-Wertes erfolgt dabei stufenweise nach einer vorwählbaren Zahl von Regelvorgängen.

Bei der Widerstandsverschweißung zum Herstellen von Büchsen-Schweißnähten besteht das Problem der Erzeugung relativ hoher Blindspannungen, die als Folge der verteilten Induktivität der Stromzuführungsschienen auftreten, wobei weitere Blindspannungen durch auf die Elektroden aufgesetzte Sensorspulen induziert werden können. Für die Überwachung ist jedoch nur die Wirkleistung interessant, so daß die Wirkkomponenten von Strom und Spannung bestimmt werden müssen, die sehr viel kleiner sind als die Blindkomponenten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Schaltungsanordung derart auszugestalten, daß die Auswertung auf einfache und sichere Weise auch dann ermöglicht wird, wenn hohe Blindanteile vorhanden sind, wobei die Überwachungsschaltung insbesondere für Büchsen-Schweißmaschinen geeignet ist.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Auf diese Weise kann schnell und sicher festgestellt werden, ob die jeweils für einen Schweißpunkt aufgebrachte Energie innerhalb vorgegebener Grenzen liegt, die eine zuverlässige Schweißnaht gewährleisten.

Die Fehlersignale, die auftreten, wenn die Energie außerhalb vorbestimmter Grenzen liegt, können dann gemäß den Unteransprüchen 2 bis 4 ausgewertet werden, um fehlerhaft verschweißte Werkstücke auszusondern, die Schweißspannung zu steuern oder abzuschalten und/oder den Vorschub des Werkstücks zu steuern.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer ersten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Überwachung der Güte der von einer Wechselstrom-Widerstandsschweißmaschine erzeugten Schweißnaht,

Fig. 2 bis 4 verschiedene Wellenformen von Spannungen der Überwachungsschaltung in ihrer Phasenbeziehung zum Schweißstrom;

Fig. 5 ein schematisches Schaltbild einer zweiten erfindungsgemäßen Überwachungs­ schaltung, die gegenüber der Schaltung gemäß Fig. 1 abgewandelt wurde, um die Änderungen der magnetischen Permeabilität zu kompensieren, die im Verlauf des Schweißverfahrens auftreten;

Fig. 6 ein Schaltbild einer dritten Über­ wachungsschaltung gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Überwachungsschaltung zur Ableitung eines Signals, welches den ohmschen Anteil bzw. den in Phase liegenden Anteil V_R der Spannung über den Rollenelektroden einer Nahtschweißvorrichtung für Büchsen entspricht. Eine derartige Vorrichtung wird in Großbritannien durch die Firma "SOUDRONIC AG" unter den Typenbezeichnungen ABM und FBB vertrieben. Die Schweiß­ rollen sind in derjenigen Stellung dargestellt, die sie einnehmen, wenn die Vorrichtung im Betrieb ist, d. h. wenn sie über zwei überlappenden Rändern 11 liegen, welche die Seitennaht eines Zinnblechkörpers einer dreistückigen Büchse bilden. Der Büchsenkörper ist rohrförmig und an den Enden offen, und die untere Rolle 10 bewegt sich innen, wenn die Naht fortlaufend über die Länge hergestellt wird.

Die Naht wird durch Widerstandsverschweißung herge­ stellt, wobei als Energiequelle eine Wechselspannungs­ quelle dient. In bekannter Weise wird die Naht in Form einer Folge von im regulären Abstand einander überlappender Schweißperlen gebildet, die jeweils während einer Halbwelle der Wechselstromform erzeugt werden.

Obgleich dies aus der Zeichnung nicht hervorgeht, ist darauf hinzuweisen, daß die Spannungsquelle von herkömmlicher Bauart ist und einen rotierenden Frequenz­ wandler aufweist, der von einem Dreiphasen-Wechsel­ spannungsnetz gespeist wird, und eine Einphasen-Aus­ gangswicklung mit geerdeter Mittelanzapfung aufweist. Ein an diese Wicklung angeschlossener Schweißtrans­ formator speist die Schweißrollen 10 über die obere bzw. untere Stromschiene 13 bzw. 14. Zwei invers parallel geschaltete Thyristoren sind zwischen den rotierenden Umformer und den Schweißtransformator geschaltet und sie sind steuerbar, um eine Phasenwinkel­ steuerung des Schweißstromes vornehmem zu können und um so die pro Schweißpunkt benötigte Energie einstellen zu können.

Der Überwachungsschaltung wird die Schweißspannung V_W an den Leitungen 15 zugeführt und ein Differentialver­ stärker 16 ist an die Schweißelektroden angeschlossen, so daß er an seinen Eingängen die Schweißspannung empfängt. Diese Schweißspannung V_w, die an den Leitungen 15 ange­ legt ist, setzt sich zusammen aus einer ohmschen Kompo­ nente V_R und einer beträchtlich größeren induktiven Komponente V_L, die eine Folge der verteilten Leitungs­ induktivität zwischen den Überwachungspunkten ist. Außerdem wird unvermeidbar eine Spannung V_E elektro­ magnetisch in den Leitungen 15 selbst induziert, wobei diese Spannung relativ beträchtlich sein kann.

Die Spannung, die am Eingang des Verstärkers 16 auf­ tritt, ist demgemäß gleich V_R + V_L + V_E (oder V_W+ V_E). Diese Spannung ist in Fig. 1 V′_W bezeichnet. Sie wird im folgenden als die "überwachte Schweißspannung" bezeich­ net.

Eine Sondenspule 17 ist induktiv mit der Stromzuführungs­ schaltung an der oberen Stromschiene 13 gekoppelt, d. h. an einer Stelle, wo die Spule durch die Wirkungen sich ändernder magnetischer Permeabilität des Büchsenkörpers im wesentlichen nicht beeinflußt wird. Die Ausgangsspan­ nung V_S der Sondenspule wird dem Eingang eines zweiten Differentialverstärkers 18 zugeführt. Die Spannung V_S ist im wesentlichen induktiv und daher in Phase mit der Blindkomponente V_L + V_E der überwachten Schweißspannung V′_W.

Die Verstärker 16 und 18 speisen eine Summierungsstufe 19, die demgemäß ein Ausgangssignal erzeugt, das ihrer Differenz entspricht.

Der Verstärkungsgrad der Verstärker 16 und 18 ist so gewählt, daß die Spannung V_S der Sondenspule nach Ver­ stärkung im Verstärker 18 etwa gleich der Größe der Blind­ komponente der Spannung V′_W ist, nachdem diese im Ver­ stärker 16 verstärkt wurde, und zwar über je eine Halb­ welle. Demgemäß repräsentiert der Ausgang der Summierungs­ stufe 19 im wesentlichen nur die ohmsche Komponente V_R der Schweißspannung V_W. Nach geeigneter Verstärkung in einem weiteren Verstärker 21 kann diese Spannung demge­ mäß benutzt werden, um über eine Leitung 22 eine Anzeige und/oder eine Steuerung zu bewirken. Die Summierungs­ stufe 19 und der Verstärker 21 sind gewöhnlich in einem Differentialverstärker kombiniert.

Vorzugsweise wird, wie in der Zeichnung dargestellt, der Ausgang des Verstärkers 21 einer Integrationsstufe 23 zugeführt, die eine zeitliche Integration durchführt, um auf der Leitung 24 ein Signal zu liefern, welches dem ∫V_R x dt entspricht. Bei konstantem Schweißstromwert I_W stellt dieses Integral die elektrische Energie dar, die beim Schweißen verbraucht wurde. Der Integrator wird durch eine Rückstellschaltung 28 zurückgesetzt bevor jeweils eine Halbwelle des Stromes I_W ankommt, so daß beim Nahtschweißen auf der Leitung 24 eine Folge von Signalen auftritt, die die elektrischen Energien kennzeichnen, die für die einzelnen Schweißpunkte der Naht benötigt wurden. Diese Signale werden einer Schaltung 29 zuge­ führt, die in bekannter Weise ihre Endabsolutwerte sammelt und auf einen Kondensator 9 gibt, bis sie durch das nächst ankommende Signal gelöscht werden.

Es ist statistisch bekannt, daß zur zufriedenstellenden Bildung der Schweißperlen die benutzte Energie innerhalb vorbestimmter oberer und unterer Grenzen liegen sollte. Büchsen, die eine oder mehrere Schweißperlen aufweisen, deren Energie außerhalb dieses Bereiches liegen, werden automatisch durch eine Büchsenauswurfvorrichtung 25 ab­ geschieden, die auf das Ausgangssignal der Austast- und Halteschaltung 29 anspricht. Die Vorrichtung 25 kann ein­ stellbar sein, um die Grenzwerte nach visueller Betrachtung oder anderer Überprüfung der geschweißten Büchsenkörper zu ändern. Demgemäß sind Eingänge 26, 27 vorgesehen, denen der obere bzw. untere Grenzwert in geeigneter Form zugeführt werden kann.

Das Signal auf der Leitung 24 kann zur Anzeige und/oder zur Steuerung benutzt werden, unabhängig von der Funktion zum Auswerfen fehlerhafter Büchsenkörper.

Die Fig. 2 bis 4 zeigen zwei aufeinanderfolgende Halbwellen verschiedener Spannungen, wodurch die Arbeits­ weise der Überwachungsschaltung veranschaulicht wird. Zum Vergleich ist der Schweißstrom I_W strichliert in Fig. 2 dargestellt und es ist erkennbar, daß die über­ wachte Schweißspannung V′_W einen sehr hohen Blindanteil besitzt. Der Schweißstrom fällt natürlich an den mit I_WO angegebenen Stellen auf Null, und der folgende An­ stieg wird künstlich bis zu den Punkten I_WB durch die vorerwähnte Phasenwinkelsteuervorrichtung verzögert.

Fig. 3 zeigt die induzierte Spannung V_S über der Sonden­ spule 17, und diese weist eine ähnliche Form auf wie die überwachte Schweißspannung V′_W.

Fig. 4 zeigt die ohmsche Komponente V_R der Schweißspannung V_W, die am Ausgang der Summierungsstufe 19 oder des Ver­ stärkers 21 auftritt.

Wegen der Streuinduktivität des Schweißtransformators erscheint eine kleine Spannung während die Phasenwinkel­ steuerung wirksam ist, d. h. zwischen den Punkten I_WO und I_WV. Diese Spannung wird vom Integrator 23 bei der Bestim­ mung von ∫ V_R dt vernachlässigt.

Die Ableitung der Wirkkomponente V_R der Schweißspannung V_W, wie sie oben bestimmt wurde, erfolgte unter der An­ nahme, daß die magnetische Permeabilität im Bereich der Schweiß­ spannungsmaßschleife konstant ist. Bei der Über­ wachungsschaltung gemäß Fig. 1 können jedoch Änderungen dieser magnetischen Permeabilität bei gewissen Anwen­ dungen die Größen der Blindspannungen V_R und V_E von Schweißperle zu Schweißperle beeinflussen, und zwar in einem solchen Ausmaß, daß das Ausgangssignal der Summie­ rungsstufe 19 eine wesentliche Blindkomponente enthält. Insbesondere wird dann das Signal auf der Leitung 24 unzuverlässig als Maß für die pro Schweißpunkt benötigte elektrische Energie. Um die Annäherung der Spannung, die vom Verstärker 18 geliefert wird, an die reaktive Kompo­ nente V_L + V_E der überwachten Schweißstabspannung V′_W zu verbessern, kann die Überwachungsschaltung gemäß Fig. 1 in der aus Fig. 5 ersichtlichen Weise abgewandelt wer­ den, um eine automatische Kompensation hinsichtlich Änderungen der magnetischen Permeabilität zu bewirken, indem der Verstärkungsgrad des Verstärkers 18 gesteuert wird.

Im folgenden wird auf Fig. 5 Bezug genommen. Außer den bereits in Verbindung mit Fig. 1 erläuterten Schaltungs­ elementen weist die Überwachungsschaltung einen Tast- und Haltekreis 30 auf, der durch Impulse auf einer Leitung 31 gesteuert wird und einen Haltekondensator 32 und einen Komparator 33 aufweist, dem der Ausgang der Tast- und Halteschaltung zugeführt wird und diesen mit einem Be­ zugswert an der Klemme 34 vergleicht, um ein fehlerab­ hängiges Signal über die Leitung 35 zu liefern.

Der Verstärker 18 ist an die Leitung 35 angeschlossen, um das fehlerabhängige Signal der Leitung 35 zu empfangen und der Verstärker ändert seinen Verstärkungsgrad ge­ mäß diesem Fehlersignal.

Die Taktgebung der Impulse auf der Leitung 31 ist derart, daß die Tast- und Halteschaltung 30 so ge­ steuert wird, daß die Endabsolutwerte der V_R-abhängigen Impulse des Verstärkers 21 am Ende jeder Halbwelle des Schweißstromes I_W getastet werden. Danach werden die Austastungen im Kondensator 32 als Ausgang des Komparators 33 gehalten. Gewöhnlich repräsentiert das Signal der Klemme 34 eine Nullspannung und es ist daher klar, daß gemäß den Impulsen auf der Leitung 31 der Verstärkungs­ grad des Verstärkers 18 wiederholt derart gesteuert wird, daß jeder Rest des V_R-abhängigen Signals ausgelöscht wird, der zu Beginn der Perioden der Phasenwinkelsteue­ rung vorhanden sein könnte, d. h. während der Nullstrom­ bedingungen.

Die Impulse auf der Leitung 31 zur Steuerung der Tast- und Halteschaltung 30 werden durch eine Reihenschaltung erzeugt, bestehend aus einem Integrator 36, der an die Sondenspule 17 angeschlossen ist, um die Sondenspulen­ spannung V_S zu erhalten, einer Gleichrichterschaltung 37, die ein Absolutwertsignal von dem sich ändernden Ausgangssignal des Integrators erzeugt, einem Komparator 38, der das Ausgangssignal der Schaltung 37 mit einem Bezugssignal an der Klemme 39 vergleicht, welches klein ist im Ver­ hältnis zum Durchschnittswert des Absolutwertsignals, wodurch ein konstantes Ausgangssignal während jener Perioden erzeugt wird, in denen das Bezugssignal überschritten wird, und einer monostabilen Schaltung 40, die durch die Flanken der Rechteckimpulse getriggert wird, die durch den Komparator 38 erzeugt werden, um kurzdauernde Impulse auf der Leitung 31 zu erhalten.

Der Integrator 36 wird am Ende jeder Halbwelle des Schweißstromes I_W zurückgesetzt. Während der folgenden Halbwelle des Schweißstroms wird die Sondenspulenspannung V_S integriert, die wie aus Fig. 3 ersichtlich, sich im wesentlichen symmetrisch zwischen dem positiven und ne­ gativen Maximalwert während dieser Zeit ändert. Der Inte­ grator ist doppelt richtend und sein Ausgang fällt dem­ gemäß auf den niedrigen Wert, der durch das Bezugssignal an der Klemme 39 repräsentiert wird, und zwar im wesent­ lichen gleichzeitig mit dem Zeitpunkt, an dem der Schweiß­ strom I_W natürlich auf Null zurückgegangen ist. Demgemäß liegen die auf der Leitung 31 durch die Elemente 36 bis 40 erzeugten Impulse zeitlich genau zu Beginn der Perioden der Phasenwinkelsteuerung, wie dies die Arbeitsweise der Verstärkerkompensationsschaltung erfordert, die vorstehend beschrieben wurde.

Eine dritte Überwachungsschaltung gemäß der Erfindung, die in Fig. 6 dargestellt ist, beruht auf der Tatsache, daß dann wenn V′_W integriert wird, die beiden Blind­ spannungskomponenten von V′_W, die beide proportional der Änderungsrate des magnetischen Flusses sind, einen Aus­ gang erzeugen, der proportional zu dem magnetischen Fluß ist und daher verschwindet, wenn die Integration über eine vollständige Halbwelle durchgeführt wird, d. h. über den Abschnitt zwischen zwei Nulldurchgängen des Flusses. Des­ halb kann durch Integration von V′_W während der Zeit über jeden Impuls des Schweißstromes ein Spannungssignal erlangt werden, welches im wesentlichen frei ist von irgendwelchen Blindkomponenten und daher nur den Wirkanteil V_R repräsen­ tiert. Außerdem befindet sich das Signal bereits in der integrierten Form (∫ V_R dt), welches erforderlich ist, um eine Anzeige einer Büchsenaussortierung und/oder einer anderen Anzeige oder Steuerfunktion durchzuführen und ein Maß der elektrischen Energie erfordert, die pro Schweißperle erforderlich war.

Im folgenden wird auf Fig. 6 Bezug genommen. Die hier dargestellte dritte Überwachungsschaltung weist einen Differentialverstärker 41 auf, der die überwachte Schweiß­ spannung V′_W verstärkt. Ein in beiden Richtungen wirkender Integrator 42 ist an den Ausgang des Verstärkers 41 an­ geschaltet, um das Signal zu erzeugen, welches ∫ V_Rx dt auf der Leitung 43 darstellt. Das Signal kann, nachdem die Endabsolutwerte seiner Komponentenhalbwellen getastet und durch die Tast- und Halteschaltung 29 mit dem zugeord­ neten Kondensator 9 gehalten sind, durch die Büchsenaus­ sortierungsvorrichtung 25 in der vorbeschriebenen Weise ausgenutzt werden. Die Schaltungen gemäß dem Ausführungs­ beispiel nach Fig. 1 und 5 liefern ein Signal, welches dem Wirkanteil V_R der Schweißspannung entspricht, während bei der Überwachungsschaltung gemäß Fig. 6 ein solches V_R abhängiges Signal nicht verfügbar ist.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung zur Überwachung der Güte der von einer Wechselstrom-Widerstandsschweißmaschine erzeugten Schweißnaht, die sich aus Schweißpunkten zusammensetzt, welche durch auf­ einanderfolgende Schweißstrom-Halbwellen gebildet sind, wobei von der Schweißspannung (VW) die reaktive Komponente (VS) abgetrennt und die Wirkkomponente (VR) zur Auswertung weiterverarbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkkomponente (VR) der Schweiß­ spannung bzw. des Schweißstromes halbwellenweise (28) zeitlich integriert (23) wird, und daß die so erzeugten, der für einen Schweißpunkt aufgebrachten Energie entsprechenden Ausgangssig­ nalimpulse mit einem oberen und einem unteren Grenzwertsignal verglichen (29) werden und ein Fehlerausgangssignal erzeugt (25) wird, wenn ein Ausgangssignalimpuls außerhalb des Bereichs zwischen oberem und unterem Grenzwertsignal liegt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Größe der Ausgangssignalimpulse die fehlerhaft verschweißten Werkstücke ausgesondert werden.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fehlerausgangssignal die Schweißspannung steuert oder abschaltet.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von dem Fehleraus­ gangssignal der Vorschub des Werkstücks gesteuert wird.