DE3320237A1

DE3320237A1 - Widerstandspunktschweissprozessregelverfahren und -regler

Info

Publication number: DE3320237A1
Application number: DE19833320237
Authority: DE
Inventors: Robert Kenneth 12180 Troy N.Y. Cohen
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1982-06-07
Filing date: 1983-06-03
Publication date: 1983-12-08
Also published as: IT8321406A0; IT1168261B; JPS591073A; IT8321406A1; US4447700A; IL68278A; FR2527957A1; SE8303199L; IL68278A0; GB2122935A; GB8313424D0; SE8303199D0

Description

Widerstandspunktschweißprozeßregelverfahren und -regler

Die Erfindung bezieht sich auf ein in Echtzeit arbeitendes adaptives Regelungs- und Gütesicherungssystem für eine Widerstandspunktschweißvorrichtung und auf ein Ver· fahren zum Regeln des Schweißprozesses.

Während des SchweißVorganges treten Veränderungen des Prozeßarbeitspunktes von Schweißung zu Schweißung aufgrund von mehreren Bedingungen auf, beispielsweise aufgrund von Materialoberflächenveränderungen, Veränderungen in der Werkstückgeometrie, Abplattung der Elektroden, Maschinenstörungen, Bedienerfehler, usw. Diese Veränderungen können durch die Bedienungsperson häufig unmöglich erkannt werden und bewirken, daß Schweißungen unterschiedlicher Qualität erzeugt werden.

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Bei Fabrikwiderstandspunktschweißvorrichtungen werden mehrere kostspielige Prozeduren angewandt, um zu versuchen, die Ungewißheit zu beseitigen, die mit dieser Metallverbindungsprozedur verbunden ist. Dazu gehören das Herstellen der zwei- bis dreifachen Anzahl von Schweißungen, die erforderlich sein würden, wenn von allen Schweißungen bekannt sein würde, daß sie gut sind, die periodische zerstörende Prüfung von Kontrolltestproben, die als repräsentativ für die tatsächlichen Schweißbedingungen angenommen werden, und das Hartlöten jeder Schweißung. Diese Quali tätskontrollprozeduren sind arbeitsaufwendig, haben eine sehr nachteilige Auswirkung auf die Produktivität der Fabrik, machen die Punktschweißprozedur komplizierter und gewährleisten nicht die vollständige Zuverlässigkeit des Schweißprozesses.

Es war deshalb notwendig, ein System zur Widerstandspunktschweißung zu entwickeln, das einen neuen Grad an Zuverlässigkeit und Vertrauen für diesen grundlegenden Verbindungsprozeß ergibt. Die Verästelungen bei der Milderung des Problems beinhalten das Eliminieren des zerstörenden Prüfens und der zusätzlichen Schweißungen; das Beseitigen des Hartlötprozesses, wodurch im Falle eines Flugzeuges einige Pfund an Triebwerksgewicht und hunderte Pfund an Gesamtflugzeuggewicht beseitigt werden. Die vollständige Beseitigung von Vermutungen in Verbindung mit dem Punktschweißprozeß eliminiert die Notwendigkeit einer geschulten Bedienungsperson zum Steuern der Maschine. Das macht die Erfindung für Verwendungszwecke geeignet, bei denen die zu schweißenden Werkstücke durch Roboter automatisch positioniert und kontrolliert werden. Zusätzlich zu der riesigen Steigerung der Produktivität, die sich ergeben wird, könnte das Widerstandspunktschweißen anstelle von anderen Verbindungstechniken benutzt werden, bei denen teuerere Prozeduren, wie Nieten, angewandt werden. Dadurch wird das

Spektrum der Verwendungszwecke für das Widerstandspunktsehweißen stark verbreitert.

Bei den meisten Widerstandspunktschweißmaschinen wird ohne Rückführung während des Sciweißprozesses gearbeitet. Die Bedienungsperson stellt die Schweißsteuereinrichtungen für eine bestimmte Maschine/Elektrode/Werkstück-Konfiguration empirisch ein. Diese Einstellungen sind für jede Mischine eindeutig und gelten nur für diese, da sie nicht in geeichten physikalischen Eigenschaften definiert sind; das Ausführen derselben Arbeit auf einer anderen Maschine erfordert neue Einstellungen der Steuereinrichtungen, die empirisch gefunden werden müssen. Jede Änderung im Arbeitspmnkt der Maschine oder in den Werkstückeigenschaften wird zu einer fehlerhaften Schweißung führen.

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Ek gibt im wesentlichen vier Typen von Punktschweißüberw^chungseinrichtungenZ-steuereinrichtungen auf dem Markt, da.e nach dem einzelnen Parameter, der in dem Schweißproz <pB gemessen wird, zusammengefaßt werden. Es sind: (1) WSrmeausdehnungsüberwachungseinrichtungen,, (2) SchweißklumpenwiderStandsüberwachungseinrichtungen, (3) Eingangs-Läistung(Schweißenergie)-überwachungseinrichtungen und (4) Ultraschall-, akustische oder Infrarotüberwachungseinrichtungen. Einige dieser in jüngerer Zeit entwickelten Schweißregler auf Mikroprozessorbasis implementieren einzelne variable Rückführungsalgorithmen und sind in der L^ge, gute Ergebnisse unter gewissen eingeschränkten Bedingungen zu erbringen. Die Algorithmen sind in der Komplexität begrenzt und ermöglichen eine Kompensation nur einmal pro Schweißzyklus. Diese Einheiten sind schwierig zu programmieren und erfordern die Kenntnis der Systemtheorie, damit die Prozeßstabilität gewährleistet werden kann.

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Der Hauptfehler bei diesen Einheiten ist, daß keine Diagnosen zusammen mit dem Prozeßrückführungsalgorithmus durchgeführt werden, um sicherzustellen, daß jede Änderung in den Maschinen- oder Werkstückeigenschaften innerhalb ausreichender Grenzen liegt, um durch den Algorithmus wirksam kompensiert werden zu können. Als Ergebnis können schlechte Schweißungen durch diese Systeme hergestellt werden, ohne daß sie erkannt werden. Wenn der Prozeß abgebrochen wird, weil die Regelung nicht in der Lage ist, innerhalb vorbestimmter Grenzen arbeiten zu können, wird keine Diagnoseinformation für die Bedienungsperson geliefert, die die Art des Problems beschreibt. Diese Aufgabe wird dem subjektiven Urteil der Bedienungsperson überlassen.

Das mehrere Variable berücksichtigende adaptive Echtzeitregelsystem für eine Widerstandspunktschweißmaschine ist in der Lage, die Bildung von Schweißpunkten im Prozeß automatisch zu steuern, die Qualität jeder Schweißung, wenn sie gebildet wird, zu diagnostizieren und On-Line- oder prozeßgekoppelte Diagnosen vor, während und nach jeder Schweißung durchzuführen. Das System enthält mehrere Fühler an der Maschine, einen Mikrocomputer und Schweißmaschinen-, Fühler- und Benutzerschnittstellen. Der Schweißprozeß hat eine Diagnosestufe, eine Anpaßstufe, falls erforderlich, und Schweiß- und Temperstufen.

Das Verfahren zum Regeln des Punktschweißprozesses beinhaltet das Diagnostizieren des Zustands der Werkstücke und der Maschine vor dem Schweißen durch Messen gewisser Variabler, wie beispielsweise der Werkstückdicke, der Elektrodenkraft und des dynamischen Widerstands. Der Prozeß wird abgebrochen, wenn irgendeine dieser Variablen nicht innerhalb vorbestimmter Grenzen liegt, und der Grund wird der Bedienungsperson angezeigt. Leistungsimpulse wer-

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den erst zugeführt, nachdem festgestellt worden ist, daß alle gemessenen Variablen innerhalb des Bereiches liegen und eine zulässige Schweißung durchgeführt werden kann. Wenn eine Variable, wie beispielsweise der dynamische Widerstand, etwas größer als normal ist, beispielsweise wenn es ein Problem der mechanischen Passung oder ein Problem der Oberflächenverunreinigung gibt, erfolgt eine Anpassung an die Werkstücke, indem ein oder mehrere Leistungsimpulse zugeführt werden, um den Widerstand zu verringern.

Ein weiteres Merkmal des Verfahrens ist, daß Leistungsimpulse den Werkstücken zugeführt werden und die Schweißleistung in jeder Halbperiode in Abhängigkeit von der Wärmeausdehnung und der Ausdehnungsgeschwindigkeit dynamisch eingestellt wird, um die Bildung des Schweißklurnpens zu steuern und um die Abkühlgeschwindigkeit zu steuern und das geschweißte Werkstück zu tempern. Während der Diagnosestufe wird die Gesamtdicke der Werkstücke gemessen, und die maximale Wärmeausdehnung zum Herstellen einer Qualitätsschweißung wird berechnet. Die beiden Werkstückvariablen, nämlich die Ausdehnung und die Ausdehnungsgeschwindigkeit werden gemessen und mit dem Maximalwert bzw. mit vorbestimmten Geschwindigkeitsgrenzwerten verglichen. Die Leistungsgrenzwerte werden in Echtzeit eingestellt, um eine Elektrodenabplattung (Flachrundung oder Mushrooming und Nebenschlußeffekte zu kompensieren. Kontinuierliche Leistungsimpulse werden geliefert, um den Schweißklumpen zu bilden, bis die maximale absolute Ausdehnung überschritten ist und die Ausdehnungsgeschwindigkeit kleiner als ein vorbestimmter Wert ist. Während der Temperstufe wird die Ausdehnungsgeschwindigkeit innerhalb von Grenzwerten gehalten, und die Leistungsimpulse werden unterbrochen, wenn die Ausdehnung kleiner als ein bestimmter

Wert ist.

Eine Ausführungsform des adaptiven Reglers (mit Rückführung) hat Elektrodenverschiebungs-, Kraft-, Spannungsund Stromfühler. Ein wichtiger Aspekt der Erfindung ist ein Fühler für elektromagnetische Störung, so daß Signale, die durch die vorgenannten Fühler erzeugt werden, abgetastet werden, wenn die Störung null ist. Der dynamische Widerstand, die Schweißleistung, die Ausdehnung und die Ausdehnungsgeschwindigkeit werden in jeder Halbperiode berechnet, und das Berechnungsergebnis und die Impulszählung sind immer verfügbar. Die SchweißmaschinenSteuerschnittstelle hat eine Schweißkopf-Auf/Ab-Steuerleitung, Druckluft- und Kühlmittelzufuhrleitungen und eine SLromsteuerleitung. Letztere stellt die verfügbare Leistungsabgabe der Sekundärwicklung der Maschine durch präzises Steuern der Zeiten leitenden Zustands der Leistungsvorrichtungen an der Primärwicklung ein. Das Zünden der Thyristoren oder Ignitrons wird so gesteuert, daß die verfügbare Leistungsabgabe direkt proportional zu dem durch den Mikrocomputer eingestellten Schweißleistungswert ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 das geschweißte Werkstück zwi

schen Elektroden und eine einphasige elektrische Schaltung,

Fig. 2 eine Seitenansicht einer Schweiß

vorrichtung, die einen dreiphasigen Hauptstromkreis hat,

Fig. 3 eine Teilvorderansicht einer

WiderstandspunktschweiO-vorrichtung und des Mikrocomputersysteins,

die Fig. 4a-4d die Elektrodenverschiebung und

den dynamischen Widerstand des Werkstückes über der Zeit und die Elektrodenspannungs- und Sekundär stromkurven,

Fig. 5 ein Eingabe/Äusgabe-Diagramm des

adaptiven Reglers,

Fig. 6 ein Blockschaltbild des adaptiven

Widerstandspunktschweißvorrichtungsregelsystems,

die Fig. 7a-7c vereinfachte Programmflußdiagramme

des Schweißprozesses,

Fig. 8 eine typische Kurve der Werkstück

wärmeausdehnung über der Zeit in Halbperioden,

die Fig. 9 und 10 Elektroden und Werkstücke, bei

denen Probleme der asechanischen Passung bwz. durch Oberflächenverunreinigung vorhanden sind,

die Fig. 11a und 11b eine Folge von.Stromimpulsen während drei oder vier Stufen der Schweißung,

Fig. 12 ein Diagramm, das in Verbindung

mit Fig. 7b zur Erläuterung der Wärmeausdehnungsgeschwindigkeit und der Wärmeausdehnungsgeschwindigkeitsgrenzwerte dient,

die Fig. 13a und 13b die Primärspannung für eine Halbperiode und einen Stromimpuls,

äi<i zum Gewinnen eines Ausdrucks

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für I _f- benutzt werden,

die Fig. 14a-14e Kurvendiagramme der einphasigen

Netzspannung, der Netzreferenz, der Primärspannung und des Elektrodenstroms sowie ein Zeitsteuerdiagramm der Thyristorzündsignale, und

Fig. 15 ein Blockschaltbild der Thyristor

stromsteuerschaltung, die einen Zundimpuls erzeugt, der zu dem geeigneten Thyristor geschickt wird.

Der hier beschriebene, mehrere Variable berücksichtigende adaptive Regler für Widerstandspunktschweißvorrichtungen erzeugt bessere Schweißungen mit größerer Wiederholbarkeit als durch vorhandene Regler erzeugt werden können. Eine Echtzeitkompensation erfolgt über einen sich weit verändernden Bereich von Werkstück- und Elektrodenzuständen, die in der Fabrik auftreten. Die Möglichkeit, daß schlechte Schweißungen die Produktion durchlaufen, ohne

die Bedienungsperson zu alarmieren, ist praktisch beseitigt. In drastischen Fällen, in denen keine Schweißung möglicherweise hergestellt werden kann oder in welchen ein
Elektrodenschaden bevorsteht, erzeugt die Maschine automatisch eine Diagnosenachricht, die die Art des Problems angibt. Einige Information über das Widerstandspunktschweißen wird gegeben, aber darüber hinaus wird eine gewisse Vertrautheit mit dieser Schweißtechnik vorausgesetzt.

Der in Fig. 1 dargestellte elektrische Widerstandspunktschweißprozeß zum Verbinden von zwei Werkstoffen aufgrund
eines Örtlich begrenzten metallischen Schmelzens an deren
Grenzfläche ist ein komplizierter physikalischer, chemischer und metallurgischer Vorgang. Die einen kleinen elektrischen Widerstand aufweisenden Elektroden 20 und 21,
die einen hohen Strom zu einem örtlich begrenzten Bereich
der Werkstücke 22 und 23 leiten, üben eine konzentrierte
Kraft auf die äußeren Oberflächen der miteinander zu verbindenden Werkstoffe aus«, Dieser Elektrodendruck L erzeugt eine örtliche Verformung an der Grenzfläche der miteinander zu verbindenden Metalle? wobei die äußeren Oberflächen aufgrund der sehr konzentrierten Druckkräfte eingedrückt werden. Der Zweck der Anfangselektrodenkraft ist es, die Werkstücke in richtige gegenseitige Anlage zu bringen und einen guten elektrischen Kontakt aufrechtzuerhalten. Der elektrische Widerstand des Systems, das aus den Kupferelektroden
und den beiden zu verbindenden Metallblechen besteht, setzt "sich aus den Werkstoffwiderständen des Kupfers und der Werkstücke und den Oberflächenkontaktwiderständen an jeder Werkstoff grenz fläche zusammen» Der Oberflächenkontaktwiderstand ist auf Oberflächenfilme, Oxide und Oberflächenunebenheiten an jeder Grenzfläche zurückzuführen. Eine große Elektrodenkraft, die eine örtlich begrenzte Druckbeanspruchung der Grenzfläche erzeugt, wird die Unebenheit der Oberflächen

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niederdrücken, wodurch ein guter Kontakt hergestellt wird, der zu einem geringeren elektrischen Oberflächenwiderstand führt. Da der Widerstand der Kupferelektroden und der miteinander zu verbindenden Metalle klein ist, ist eine große Stromzufuhr nötig, um den Erhitzungseffekt durch Stromwärme zu erzeugen. Die Spannungsabfall- und Stromwärmeeffekte sind in den Werkstücken am größten, da der spezifische Widerstand der Kupferelektröden eine Größenordnung kleiner ist als der der meisten miteinander zu verbindenden Metalle.

Eine gewisse örtliche Erhitzung erfolgt an der Elektroden- und Werkstückgrenzfläche, diese ist aber im Vergleich zu der Erhitzung im inneren der Werkstücke gering. Die Hitze, die durch die Stromwärme erzeugt wird, ergibt einen Innentemperaturanstieg, der zu der Zeit der Stromzufuhr proportional ist. Wenn die Zeit ausreichend groß ist, wird die Schmelztemperatur erreicht, die eine sich ausdehnende Metallschmelzenzone erzeugt, welche von der Werkstückgrenzfläche ausgeht. Diese Phasenänderung von fest nach flüssig erzeugt eine große Wärmeausdehnung, die durch die ausgeübten Elektrodenkräfte aufgenommen werden muß. Dann schließt sich der Abkühlprozeß an, bei dem der Punktschweißklumpen 24 aus der schmelzflüssigen Zone gebildet wird, wodurch die beiden Werkstücke miteinander verbunden werden.

Die elektrische Schaltung der einphasigen Schweißmaschine in Fig. 1 hat zwei antiparallele Thyristoren 25 und 26 in Reihe mit der Primärwicklung des Schweißtransformators 27. Die Thyristoren (ältere Maschinen haben Ignitrons) sind phasenanschnittgesteuert und natürlich kommutiert und steuern die Anzahl und die Größe der Wechselstromschweißimpulse, die den Elektroden zugeführt werden. Die Seitenansicht in Fig. 2 zeigt die Elektrodenhalter 28 und 29 und einen oberen und einen unteren Leiterarm 30 bzw. 31.

Das ist eine dreiphasige Maschine; die Gleichstromimpulse sind entweder überlappend oder nichtüberlappend. Der Hauptstromkreis 32 enthält typisch einen auf der Primär- und auf der Sekundärseite jeweils dreiphasigen Transformator, dessen Sekundärkreis Strom an Niederspannungsgleichrichter abgibt, die ihrerseits Leistungsimpulse hoher Amperezahl und niedriger Spannung an die Elektroden abgeben. Der Primärkreis hat drei Paare von antiparallelen Thyristoren zum Steuern des Stroms.

Die Vorderansicht in Fig. 3 zeigt Elektrodenwasserkühlleitungen 33 und 34, ein Schiebergehäuse 35 und einen Schieber 36, der an dem Leiterarm 30 befestigt ist und die obere Elektrode 20 relativ zu der unteren Elektrode 21 bewegt» Das erlaubt das Ausüben von mechanischer Kraft auf die Elektroden vor„ während und nach der Zeit, zu der der _; Strom fließt, um die richtigen Bedingungen für das Erhitzen und Schweißen zu erzeugen. Einige der Fühler des mehrere Variable berücksichtigenden adaptiven Reglers sind in dieser Ansicht gezeigt. Die Elektroden- oder Spitzenspannung wird zwischen Leitungen 37 und 38 abgefühlt, die an der oberen bzw. unteren Elektrode befestigt sind. Bei einem Versuchsaufbau zum Äbfühlen der vertikalen Elektrodenverschiebung wird ein optischer digitaler Geber oder Codierer 39 benutzt (beispielsweise das Modell SST-D49-Eb der Dynamics Research Corporation), der an einem Ausleger 4 0 an dem unteren Elektrodenhalter 29 befestigt ist. Er fühlt die Relativbewegung der oberen Elektrode über eine Stange 41 ab, die an einem weiteren Ausleger 4 2 an dem oberen Elektrodenhalter 28 befestigt ist, die sich mit der oberen Elektrode bewegt und an einem Kolben im oberen Ende des Fühlers 39 anliegt. Die Bedienungsperson drückt ein Fußpedal 4 3 nieder, um den Schweißvorgang manuell einzuleiten. Einige Einheiten des experimentellen adaptiven Reglers sind ein Mikro-

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prozessor 44, ein Bildschirmgerät 45 und eine Benutzertastatur 46. In einer Fabrikschweißvorrichtung würde sich der Regler auf der Seite der Maschine befinden, wo die Steuereinrichtungen der Maschine angeordnet sind.

Die Fig. 4a-4d sind Diagramme von Schweißparametern und Variablen für die Schweißstufe allein für ein einphasige Maschine und ein auf einer solchen Maschine geschweißtes Werkstück. Im Labor wurde eine einphasige Taylor-Winfield 150 kVA Maschine mit einem Kopf geringer Trägheit und mit einer Ignitronschweißregelung von General Electric benutzt. Fig. 4a zeigt die Elektrodenverschiebung über der Zeit in Halbperioden; es handelt sich dabei um eine Schweifung in achtzehn Halbperioden. Es ist zu erwarten, daß die Kurve bei einer dreiphasigen Maschine glatter ist und keine ausgeprägten Spitzen in jeder Halbperiode aufweist. Fig. 4b zeigt den dynamischen Widerstand des Werkstückes (den elektrischen Widerstand zwischen den Elektroden), der aus der Elektrodenspannung und dem Elektrodenstrom berechnet wird, wenn die zeitliche Änderung von letzterem null ist. Das heißt,

Die Fig. 4c und 4d sind Aufzeichnungen der Elektrodenspannung und des Sekundär- oder Elektrodenstroms.

Die Erfindung ist ein adaptives Echtzeitregelsystem für eine Widerstandspunktschweißmaschine, das in der Lage ist, automatisch (1) die Bildung von Widerstandspunktschweißungen im Prozeß zu steuern, (2) die Güte jeder Schweißung zu diagnostizieren, wenn sie gebildet wird, (3) eine prozeßgekoppelte Maschinendiagnose vor, während und nach jeder Schweißung auszuführen und (4) die Ergebnisse für zukünftige Verwendung aufzuzeichnen. Die Erfindung schafft außer-

-jeeine Einrichtung zum Standardisieren sämtlicher Schweißplaninformation, so daß ein bestimmter Schweißplan direkt bei einer Maschine ungeachtet des Typs derselben eingesetzt werden kann, und zum Vereinfachen der Prozedur zum Erzeugen von neuen Schweißplänen. Der adaptive Regler wird mit einem Mikrocomputer und spezialisierten Peripheriegeräten zum Handhaben der überwachung von mehreren eingegebenen Prozeßvariablen und zur Echtzeitsteuerung der Punktschweißmaschine implementiert.

FIg. 5 ist ein Eingabe/Äusgabe-Diagramm des adaptiven Reglers für Widerstandspunktschweißvorrichtungen. Die verschiedenen Steuer- und Signaldatenwege sind in drei Gruppen aufgeteilt: (1) Schweißmaschinensteuerschnittstellenleitungen (2) Fühlereingangsleitungen und (3) Bediener- oder Benutzerschnittstellenleitungen· Für die folgende Erläuterung wird auch auf Fig= 6 Bezug genommen, die ein Blockschaltbild des Schweifivorrichtungsregelsystems zeigt. Die Schweißmaschinensteuerschnittstelle hat eine Schweißkopf-Auf /Ab-Steuerleitung, Stromsteuerleitungen, eine Druckluftsteuer- und eine Wasserzufuhrleitung. Die Schweißkopf-Auf/Ab-Leitung steuert die Richtung der Bewegung des Schweißkopfes an der Widerstandspunktschweißvorrichtung. Die Druckluftsteuerung wird benutzt, um die durch die Elektroden auf das zu schweißende Werkstück ausgeübte Kraft genau einzustellen. Die Wasserzufuhrleitung ermöglicht desa Regler, die Kühlwasserzufuhr ein- und abzuschalten, und die Stromsteuerleitungen werden benutzt, um die verfügbare Ausgangsleistung der Sekundärwicklung der Schweißvorrichtung zu steuern. Das ist eine Phasensteuerung, die die Zeiten leitenden Zustands der Leistungsvorrichtungen, der Thyristoren oder Ignitronröhren, in dem Primärkreis der Punktschweißvorrichtung präzise steuert.

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Die Fühlereingangsleitungen gestatten dem adaptiven Regler, den Zustand der Schweißmaschine in Abhängigkeit von der Zeit genau zu messen. Diese Fühler messen die Elektrodenverschiebung, die Last, die Spannung und den Strom sowie das elektromagnetische Störungsfeld, das durch die Schweißmaschine erzeugt wird. Die Nulldurchgänge des durch die elektromagnetische Störung verursachten Eingangssignals werden von dem adaptiven System benutzt, um das Abtasten der Fühlereingangsdaten zu steuern, was auch in der Zeit dem entspricht, wenn die erste Ableitung des Sekundärelektrodenstroms null ist, und gestattet, den Elektrode/Elektrode-Widerstand aus der Spannung und dem Strom bequem zu berechnen. Die Kühlmitteltemperatur, die Sekundärkreisgleichrichterdiodentemperatur in dreiphasigen Maschinen und die Thyristor- oder Ignitrontemperatur sowohl in einphasigen als auch in dreiphasigen Maschinen werden abgefühlt.

Zu den Benutzerschnittstellen gehören ein Fußpedal, eine Tastatur, eine Anzeigeeinrichtung und eine Schnittstelle für serielle Übertragungen. Die Tastatur wird von der Schweißmaschinenbedienungsperson hauptsächlich benutzt, um vorher festgelegte Auftragspläne nach dem Namen aufzurufen (d.h. den Plan für eine besondere Maschine/Elektrode/Werkstück-Konfiguration) und außerdem Information einzugeben, die für das Erstellen von Auftragsplänen notwendig ist. Die Anzeigeeinrichtung liefert interaktive sofortige Information für die Bedienungsperson während des Erstellens eines neuen Plans. Während des normalen Schweißmaschinenbetriebes versorgt die Anzeigeeinrichtung die Bedienungsperson mit wichtiger Auftragsstatusinformation, die die Güte jeder Schweißung angibt, wenn diese hergestellt wird. Eine Diagnosenachricht wird erzeugt, die jeden Zustand identifiziert, der das Vollenden einer akzeptablen Schweißung verhindert, und nach Möglichkeit

eine vorzunehmende Korrektur angibt. Eine Tafel mit Lampen statt eines Bildschirmgerätes kann in der Fabrik zu bevorzugen sein.

Die im Handel erhältliche Schnittstelle RS-232 für serielle Übertragungen ist vorgesehen, die dem adaptiven Regler gestattet, mit der Außenwelt in Verbindung zu treten, Schweißpläne werden einfach von Maschine zu Maschine über die Übertragungsschnittstelle übertragen. Diagnose- und Gütekontrollinformation kann an eine zentrale Quelle zum Zwecke der automatischen Aufzeichnung und der Produktionsüberwachung weitergeleitet werden. Außerdem ist die gesamte Funktionsweise des adaptiven Reglers über den Fernübertragungskanal RS-232 realisierbar, was die direkte Computersteuerung der Punktschweißmaschine von einer externen Quelle aus gestattet. Das erleichtert das einfache Synchronisieren der Punktschweißmaschine mit einem Roboter zum automatischen Positionieren der zu schweißenden Werkstücke. Wenn eine Robotersteuerung vorhanden ist, sind keine Tastatur und keine Anzeigeeinrichtung notwendig, sie können aber in dem System verbleiben.

Fig. 6 zeigt die Modulelemente, aus denen der adaptive Widerstandspunktschweißregler besteht. Die Komponenten des Mikrocomputers 50 innerhalb der gestrichelten Linie sind alle im Handel erhältlich und ihre Funktion und ihre Betriebsweise sind bekannt. Die Zentraleinheit (CPU) 51 ist beispielsweise die CPU Z80B, die von der Eilog„ Inc., Cupertino, California,, vertrieben wird. Weitere Komponenten sind der Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) 52, der Festwertspeicher (ROM) 53, der Plattenspeicher 54 und die Plattenschnittstelle 55, die seriellen Schnittstellen (RS-232) 56 und das Unterbrechungssteuergerät 57. Der Schweißplan ist typisch auf einer Diskette und wird in den

RAM 52 zusammen mit weiteren Daten, wie z.B. den Werkstoffeigenschaften/ und Parametern eingegeben. Statt dessen kann das Programm für zweckorientierte Schweißarbeiten in den ROM 53 eingegeben werden. Das JJnterbrechungssteuergerät 57 kommt ins Spiel, wenn eine Unterbrechung in dem normalen Lauf des Systems oder Plans auftritt, so daß der Ablauf an diesem Punkt zu einer späteren Zeit wieder aufgenommen werden kann. Der Zeitbasissteuermodul 58 kann eine Standardeinheit sein. Das System ist um 8-Bit-Mikrocomputer-Daten- und Adreßbusse 59 bzw. 60 aufgebaut und enthält weiter mehrere Schnittstellenmodule zum Verbinden mit der Schweißmaschine.

Der Elektrodenstromfühler ist ein Hall-Effekt-Meßwandler, der in dem Hals der Schweißmaschine befestigt ist (der Hals befindet sich zwischen den Leiterarmen 30 und 31); die Stromüberwachungseinrichtung 61 ist ein Verstärker und Puffer, und das Signal wird zur Eingabe in die A/D-Wandlerschnittstelle 62 angepaßt und skaliert. Statt dessen kann der Sekundärstrom durch eine einfache Spule abgefühlt werden. Die Elektrode/Elektrode-Spannung wird mit Sonden über die Leitungen 37 und 38 überwacht und an einen A/D-Wandlereingang angelegt. Bei der experimentellen Schweißmaschine liegt die Spitzenspannung in der Größenordnung von 1 V und der Sekundärstrom beträgt etwa 7000-9000 A. Diese beiden Eingangssignale gestatten, die Schweißleistung und den Werkstückwiderstand dynamisch zu berechnen, und zwar jede Halbperiode und nach jedem Leistungsimpuls und unter Softwaresteuerung. Die Schweißleistung P wird aus dem Elektrodenstrom und dem dynamischen Widerstand folgendermaßen berechnet:

P = i² _eff.R (2)

Die Elektrodenkraft, die auf das Werkstück ausgeübt wird, wird mit einer piezoelektrischen Kraftzelle gemessen, die in den Schweißkopf eingebaut ist, oder kann durch eine Dehnungsmeßstreifen- und Brückenschaltung überwacht v/erden, die an dem unteren Arm 31 der Schweißvorrichtung befestigt ist. Durch die Kraftüberwachungseinrichtung 6 3 wird das Signal zur Eingabe in den A/D-Wandler angepaßt und skaliert.

Die Verschiebungsschnittstelle gestattet dem Mikrocomputer, die Bewegung der oberen Elektrode 20 dynamisch zu messen, Diese Information wird durch den Mikroprozessor benutzt, um die Gesamtdicke der zu verschweißenden Werkstücke und die Wärmeausdehnung als Funktion der Zeit, wenn die Schweißung hergestellt wird, zu messen. Der Verschiebungsfühler 64, der in Verbindung mit der Schnittstelle 65 benutzt wird, kann irgendein digitaler linearer Geber oder digitaler Drehgeber mit um 90° phasenverschobenen Ausgangssignalen sein. Mehrere im Handel erhältliche Meßgeber liefern eine ausreichende Auflösung für diesen Zweck. Jede Biegebewegung als Funktion der Kraft, die auf den unteren Arm 31 einwirkt, der die untere Elektrode 21 festhält, wird auf einfache Weise softwaremäßig kompensiert. Die Verschiebungsschnittstelle 65 wandelt die analogen Äusgangssignale der Verschiebungsvorrichtung in digitale Daten in einem Format um, das durch den Mikrocomputer erkennbar ist. In einer Fabrikmaschine ist der Verschiebungsfühler in dem Hals der Schweißvorrichtung statt an der in Fig. 3 gezeigten Stelle angeordnet. Die bevorzugte Ausführungsform der Verschiebungsschnittstelle 65 bildet den Gegenstand einer gleichzeitig eingereichten weiteren deutschen Patentanmeldung der Anmelderin.

Das große Ausmaß an elektromagnetischer Störung in der Nähe der Schweißvorrichtung erzeugt ein Problem, wenn ge-

naue Fühlerablesungen gewonnen werden sollen. Als Störungsfühler ist eine Stromspule 66 vorgesehen (Fig. 2), die an dem unteren Leiterarm 31 der Schweißmaschine oder an anderer Stelle befestigt ist, wo die magnetischen Kraftlinien die Spule schneiden. Das Spannungssignal ist proportional zu der Störung in diesem Moment; die Störung ist null, wenn di/dt null ist. Dieses Signal wird benutzt, um festzustellen, wann die anderen analogen Eingangssignale elektromagnetisch gestört sind, d.h. wann die Kraft-, Strom- und Spannungs signale ohne Störung abgetastet werden können. Die Verschiebung ist ein digitales Signal, das zu jeder Zeit ohne Störungsproblem abgetastet werden kann. Die überwachungseinrichtung 67 für elektromagnetische Störung ist ein Verstärker und dient zum Skalieren und Puffern.

Die Temperaturschnittstelle gestattet dem Mikroprozessor, die Temperaturen der Primärkreisleistungsvorrichtungen, der Sekundärkreisgleichrichterdioden an dreiphasigen Gleichstrommaschinen und des Elektrodenkühlwassers zu messen. Die Kühlwassertemperatur wird im Prozeß benutzt, um Änderungen in der Elektrodengröße aufgrund von Wärmeausdehnung 2u kompensieren. Andere Temperatureingaben werden nur für Diagnosezwecke geliefert. Die Fühler sind Thermistoren, Thermoelemente oder Dioden, und die Temperaturüberwachungseinrichtung 68 verstärkt das Signal und verschiebt es auf geeignete Weise.

Die Hardwarearithmetikschnittstelle 69 vergrößert die Rechenkapazität des Systems und beseitigt die Bürde des Ausführens von Multiplikations- und reziproken Operationen von dem Mikroprozessor (CPU) 51. Das ergibt die größere Bandbreite, die nötig ist, um einen Algorithmus für mehrere Variable in Echtzeit zu implementieren, was erfordert, daß komplizierte analythische Ausdrücke bei jeder

Halbperiode des SchweiBstroms berechnet werden. Die Hardwarearithmetikschnittstelle hat einen Standardhardwaremultiplizierer und eine I/X-Suchtabelle. Der dynamische Widerstand wird schnell berechnet,, indem die Elektrodenspannung mit dem Kehrwert des Sekundärstroms multipliziert wird. Die Druckluftsteuerschnittstelle 70 gestattet dem Mikrocomputer 50, die auf die zu verschweißenden Werkstücke ausgeübte Elektrodenkraft zu steuern. Eine Möglichkeit der Implementierung ist ein Schrittmotor, der an dem Ventil des Druckluftreglers an der Schweißmaschine angeordnet ist. Die Schrittmotorsteuereinrichtung 71 sendet Impulse zu dem Motor„ die gleich der Anzahl der Schritte sind, um die er sich im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn bewegen soll. Wenn der Motor einen Grenzwert erreicht, wird ein Signal an den Mikrocomputer abgegeben. Eine schnellere Steuerungsbandbreite als mit einem Schrittmotor ist mit einer Reihe von festen, parallel geschalteten Druckluftreglern realisierbar, die die relativen Gewiche 1, 2, 4, 8 usw. haben und durch den Mikrcomputer wahlweise ein- und ausgeschaltet \-?erden können.

Die SchweißsteuerSchnittsteile 72. gestattet, die Schweißleistung in Echtzeit bei jeder Halbperiode des durch die Werkstücke fließenden einphasigen Schweißstroms und bei jeder Halbperiode in jeder Phase bei dreiphasigen Maschinen einzustellen. Zusätzlich zur Steuerung des Zündens der Leistungsvorrichtungen steuert sie das Zünden derart, daß die verfügbare Ausgangsleistung direkt proportional zu dem durch den Mikrocomputer 50 eingestellten Steuerwert des Stroms ist. Bekannte Widerstandspunktschweißvorrichtungsregler steuern dynamisch jede volle Stromperiode. Der hier beschriebene adaptive Regler hat somit die doppelte Steuerbandbreite bei einphasigen Maschinen und die sechsfache Steuerbandbreite bei dreiphasigen Maschinen. Das Netzreferenzsignal synchronisiert die Leistungssteu-

O O Z. U Z. O /

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erschaltung mit der 60 Hz Wechselstromleistung, was ausführlich mit Bezug auf die Fig. 13-15 erläutert ist. Die Schweißsteuerschnittstelle 72 gestattet außerdem dem Mikrocomputer, die Auf- und Abbewegung des Schweißkopfes und die Kühlwasserzufuhr zu steuern und die Benutzerfußpedaleingabe zu überwachen.

Ein Merkmal des adaptiven Reglers ist, daß der Mikrocomputer die Fühler im Einbauzeitpunkt automatisch eicht. Die Eichkurve, beispielsweise für die Elektrodenkraft, wird erzeugt und in der Maschine für zukünftige Verwendung gespeichert.

Die folgenden Maschinen- und Werkstückparameter sowie Variablen werden immer nach jedem Leistungsimpuls gemessen und sind immer verfügbar: die Elektrodenspannung, der Elektrodenstrom, die Schweißleistung, der dynamische Werkstückwiderstand, die Werkstückwärmeausdehnung, die Wärmeausdehnungsgeschwindigkeit, die Zeit (Impulszählung) und die Temperaturen. Die Fühlereingangsdaten werden, wenn die elektromagnetische Störung null ist, abgetastet und aus den Schnittstellen 62, 65 und 68 in den RAM 52 eingelesen. Die CPU 51 und der Hardwarearithmetikprozessor 69 verarbeiten diese Daten. Alle Modulkomponenten haben Standardeingabe- und -ausgabecomputerkanäle oder -tore und ein adressierbares Steuerbussystem; es gibt Datenwege zu allen Einheiten, aber nur die Einheit, die eingeschaltet ist, verarbeitet die Daten. Zum Veranschaulichen des Datenflußweges sei angegeben, daß der dynamische Widerstand berechnet wird, indem der Strom und die Spannung bei der elektromagnetischen Störung null abgelesen und als Digitalwerte in dem RAM 52 gespeichert werden. Die CPU 51 gibt einen Befehl zum übertragen der Daten in die Hardwarearithmetikeinheit 69 ab, in welcher die Spannung mit dem Kehrwert des Stroms multipliziert wird. Das Produkt wird be-

- errechnet und in dem RAM 52 gespeichert. Die Wärmeausdehnung wird aus dem Verschiebungsfühler erhalten und hinsichtlich der Kühlmitteltemperatur und jedweder Biegung des unteren Leiterarms aufgrund der Elektrodenkraft korrigiert. Die Äusdehnungsgeschwindigkeit in jeder 60 Hz Halbperiode C1/120 s) wird aus der Differenz zwischen der gegenwärtigen Verschiebung und der letzten Verschiebung bestimmt.

Das adaptive Regelsystem nach Fig. 6 hat die Eigenflexibilität , die notwendig 1st, um automatisch perfekte Punktschweißungen in einem sich weit verändernden Bereich von Werkstoffen, Elektrodenzuständen und Maschinenarbeitspunkten herzustellen» Software ist jedoch zum Steuern dieser Funktionen und des gesamten Betriebsablaufes der Maschine erforderlich. Die Fig. 7a, 7b und 7c zeigen ein einfaches Programmflußdiagranun, das das leistungsvolle adaptive Schweißvermögen veranschaulicht, das unter Softwaresteuerung leicht erzielt wird. Der Schweißprozeß hat vier Stufen, nämlich eine Diagnosestufe, eine Anpaßstufe, falls erforderlich, eine Schweißstufe und eine Temperstufe. Die ersten beiden Stufen werden durch die Folge von Schritten in Fig. 7a implementiert und schauen auf den Zustand der Maschine und der Werkstücke und adressieren gewisse Bedingungen. Wenn eine Schweißung "guter" Qualität nicht durchgeführt werden kann, stoppt der Regler die Maschine, bevor die Schweißstufe beginnt. Die Anfangsprozedur 75 besteht darin, daß die Bedienungsperson auf das Fußpedal tritt, daß der Schweißkopf nach unten kommt und daß Elektrodendruck auf die Werkstücke (22 und 23 in Fig. 1) ausgeübt wird ο Die gesamte Werkstückdicke und die Elektrodenkraft werden gemessen, bevor Schweißleistung zugeführt wird. Diese beiden GröBen müssen innerhalb vorbestimmter Grenzen liegen, damit der Schweißprozeß fortgesetzt wer-

den kann. Die Verfahrensschritte zum Steuern des Schweißprozesses sind folgende. Der erste Entscheidungsschritt 76 besteht darin, die Gesamtdicke S des Werkstückes zu messen, die zwischen einem Maximalwert Sw._χ und einem Minimalwert S„_„ liegen muß, damit der Schweißprozeß fort-

M J. N

gesetzt werden kann. Wenn die tatsächliche Dicke größer als S₁₀-_v oder kleiner als S.,_TM ist, wird der Prozeß abgebrochen und es wird eine Diagnosenachricht erzeugt, die die Art des Problems angibt. In dem Schritt 77 wird die Sollwärmeausdehnung S _ÄV für eine akzeptable vollständige Punktschweißung berechnet, wobei die tatsächliche gemessene Werkstückdicke und die Werkstoffe bekannt sind. Die Gleichung für die Wärmeausdehnung ist ein allgemeines

2
Polynom der Form a_Q + a.jX + a₂x , wobei die Koeffizienten bekannt sind und wobei χ die Dicke ist. Fig. 8 zeigt eine typische idealisierte Wärmeausdehnungskurve für die Schweiß- und Abkühlstufen. Es hat sich gezeigt, daß die maximale Wärmeausdehnung o_May ^ei^ne gute Unterscheidung für eine Qualitätsschweißung ist, wenn die Dicke, die Kraft und der Widerstand kompensiert worden sind. Eine Punktschweißung dehnt sich während ihrer Bildung im Verhältnis zu dem Volumen der gebildeten Flüssigkeit aus; weil die geschmolzene Hülle weitgehend begrenzt ist, zeigt sich eine größere Komponente der Volumenänderung in vertikaler Richtung als in horizontaler Richtung. Bei der berechneten maximalen Ausdehnung sind die Penetration und der Klumpendurchmesser akzeptabel, und das Hineinpumpen von mehr Leistung in das Werkstück führt zu einer unerwünschten Vergrößerung des Klumpendurchmessers.

Der Schritt 78 in Fig. 7a dient zum Prüfen der Elektrodenkraft L, um festzustellen, ob sie zwischen den vorbestimmten Maximal- und Minimalwerten L„,_v bzw. L„_„ liegt. Wenn

MAX MlN

die gemessene Kraft größer als L«^ oder kleiner als L_MIN ist, bricht der Prozeß ab und es wird eine Diagnosenach-

rieht erzeugt. Die Elektrodenkraft bestimmt die Kontaktwijierstandswerte und infolge dessen den Schweißstrom. Sie beeinflußt außerdem die Elektrodenspitzentemperatur„

Der Prozeß geht weiter, indem ein Diagnoseimpuls kurzer Dauer und niedriger Leistung (Schritt 79) angelegt wird, um! den dynamischen Widerstand des Werkstücks zu messen. Eijn gemessener Widerstand, der zu niedrig oder zu hoch isjt, bewirkt, daß der Prozeß abgebrochen wird. Zuerst wilrd gemäß äem Schritt 80 eine Leistungsvorrichtungsfehlzü>ndung geprüft, indem die berechnete Schweißleistung übjerprüft wird» Eine Fehlzündung führt dazu, daß der Prozeß abgebrochen und eine Diagnosenachricht erzeugt wird. Wenn keine Fehlzündung vorliegt, wird in dem Schritt 81 der Widerstand R geprüft, der zwischen R_ffiX und Rj._IN liegen muß, damit der Prozeß fortgesetzt werden kann. Wenn ί

der Widerstand größer als ein zweiter maximaler Grenzwert ist, R₂ > ¹Wy' °ü^Qr ^enn der gemessene Widerstand kleiner als Rj_11n ist, wird der Prozeß abgebrochen und eine Diagnosenachricht erzeugt. Ein geringfügig höherer Widerstandsm^ßwert als normal, höher als R^_x und niedriger als R-, bewirkt, daß die Maschine die Werkstücke anpaßt, indem kurze Leistungsimpulse zugeführt werden, damit der Werk-

stückwiderstand in den angegebenen Bereich für den besonderen Auftrag, der zuvor festgelegt worden ist, gebracht wird, damit das Schweißen fortgesetzt werden kann. Der Prozeß geht automatisch zu der nächsten Stufe weiter, wenn keine Anpassung notwendig ist* Veränderungen, die bewirken, daß der Widerstand zu hoch ist, sind üblicherweise das Ergebnis entweder einer Oberflächenverunreinigung oder einer schlechten mechanischen Werkstückpassung. Letztere ist in Fig» 9 gezeigt, wo zu erkennen ist, daß die Werkstücke 22a und 23a nicht eben sind. Gemäß Fig. 10 haben die Werkstücke 22b und 23b Oberflächenoxide oder andere Verunrei-

• 3a·

nigungen, die den Elektrode/Elektrode-Widerstand erhöhen.

Zum Anpassen der Werkstücke wird in dem Schritt 82, nach einer Verzögerung, die den Werkstücken abzukühlen gestattet, ein Leistungsimpuls gesendet. Der Widerstand wird erneut überprüft (Schritt 83) und, wenn R noch größer als Ryj.y ist, wird ein weiterer Leistungsimpuls angelegt und der Widerstand geprüft, und die Schritte 82 und 83 werden wiederholt, bis der gemessene Widerstand R kleiner als RvJa_x ist. Fig. 11a zeigt den Diagnosestromimpuls niedriger Leistung un^i die Anpaßstufenleistungsimpulse. Es ist die Verzögerung zwischen den Anpaßleistungsimpulsen zu beobachten, die dazu dient, ein zu starkes Aufheizen der Werkstücke zu verhindern. Diese Anpaßleistungsimpulse führen zum plastischen Verformen der Werkstoffe der Werkstücke, wodurch diese in besseren mechanischen Kontakt kommen, und zum Wegbrennen von Oberflächenverunreinigungen.

Nach einer geeigneten Verzögerung (Schritt 84) besteht der nächste Schritt 85 darin, die Wärmeausdehnung S zu überprüfen. Wenn die Wärmeausdehnung gleich oder größer als null ist, relativ zu der Dickenmessung, die in dem Schritt 76 gemacht worden ist, geht der Prozeß weiter zu der Schweißstufe. Wenn die Wärmeausdehnung kleiner als null ist, bedeutet das, daß es ein Passungsproblem gibt und daß die Werkstücke plastisch verformt worden sind und sich ihre Gesamtdicke geändert hat. Der Prozeß kehrt zu dem Schritt 76 zurück, um die Gesamtdicke S erneut zu messen und um einen neuen Wert der Sollwärmeausdehnung

S auf der Basis der neuen Dickenmessung zu berechnen. max

Die Schritte 77-81, 84 und 85 werden wiederholt, und die Werkstücke werden, falls notwendig, erneut angepaßt. Es gibt einen Grenzwert für die Anzahl der Leistungsimpulse zum Verringern des Widerstands, beispielsweise jedesmal fünf Impulse.

Ununterbrochene Schweißleistung wird von der Punktschweißvorrichtung bei erfolgreichem Abschluß des Anpaßprozesses geliefert. Die Leistung in jeder Halbperiode des Schweißstroms wird nach jedem Schweißstromimpuls dynamisch in Echtzeit als Funktion der Werkstückwärmeausdehnung und der ersten Ableitung derselben eingestellt,, um die genaue Bildung eines Schweißklumpens zu steuern. Nachdem das vollständige Schweißklunipenwachstum und die vollständige Penetration erzielt worden sind,, wird die Leistung benutzt, um die genaue Abkühlgeschwindigkeit des Werkstückes zu steuern. Dadurch wird das Werkstück getempert und Wärmespannungen an der Schweißzone, die durch normales schnelleres Abkühlen erzeugt würden, werden reduziert.

Fig» 7b zeigt das Flußdiagramm des Schweißstufenprogramms. In den Schritten 86 und 87 wird ein Leistungεimpuls zugeführt und ein Zähler auf den Impulszählwert C hin überprüft. Wenn C kleiner als C₁ ist, beispielsweise fünf Impulse, wird die Ausdehnungsgeschwindigkeit && gemessen, wie bei 88 angegeben. Der Prozeß geht weiter, wenn die Ausdehnungsgeschwindigkeit zwischen den beiden Grenzwerten ä^ und Δ«' ist. Wenn die gemessene Ausdehnungsgeschwindigkeit kleiner als der untere Grenzwert δ£ ist, besteht der Schritt 89 darin,, die Schweißleistung zu vergrößern und außerdem die Leistungsgrenzwerte Ρ_ΜΤΛτ und P^ zu vergrößern. Der alternative Schritt 90 besteht darin, die Schweißleistung und die Leistungsgrenzwerte zu verringern, wenn die Ausdehnungsgeschwindigkeit größer als <&^₂ ist. Fig. 12 veranschaulicht die beiden Geschwindigkeitsgrenzwerte in den Punkten i und i-1 und die Ausdehnungsgeschwindigkeit Δί. in dem i=ten Punkt,, welche die Differenz zwischen der Ausdehnung in dem i-ten Punkt und der Ausdehnung in dem (i-1)-ten Punkt ist= Die zeitliche Änderung der Ausdehnung wird so gesteuert, daß sie innerhalb der beiden Grenzwerte ist. Dadurch wird verhindert, daß zuwenig oder

zu viel Leistung in die Werkstücke gepumpt wird, um eine akzeptable Schweißung zu erzielen. Die Schritte 89 oder 90 in Fig. 7b werden wiederholt, bis die zeitliche Änderung der Ausdehnung innerhalb der vorbestimmten Grenzwerte ist.

Das Regelverfahren geht weiter, indem die Schweißleistung P überprüft und die Leistung bei 92 und 93 verringert oder vergrößert wird, so daß die Leistung zwischen ^PMAX ^{und P}MIN l^ie9^{t# In deIn} Schritt 94 wird der Wert der Ausdehnung S geprüft, und er geht weiter zur Prüfung der Thyristor- oder Ignitronfehlzündung bei 95, wenn die absolute Ausdehnung kleiner als <?_M,_V ist. Die Schritte 86-95 werden so lange wiederholt, wie der Impulszählwert C kleiner als C. ist. Nach einer vorbestimmten Anzahl von Leistungsimpulsen, beispielsweise fünf Impulsen, werden die Schritte 88-90 nicht ausgeführt, und die Prozedur besteht nur darin, die Leistung, die Ausdehnung und die Fehlzündung zu überprüfen, während die Schweißleistung dynamisch verstellt wird, damit sie innerhalb der Grenzen bleibt. Kontinuierliche Schweißstromimpulse werden den Werkstücken zugeführt, wie in Fig. 11b gezeigt, bis die absolute Ausdehnung größer als S«*« ^ist* ^Ein Grund für das Ändern der Leistungsgrenzen in den Blöcken 89 und 90 ist, daß ältere Elektroden abgeplattet (flachgerundet) sein können oder daß nahegelegene Schweißungen Strom wegleiten, mit dem Ergebnis, daß es für ein bestimmtes Ausmaß an Leistung weniger Ausdehnung gibt. Die Leistungsgrenzwerte werden stufenweise erhöht, um das zu kompensieren. Die Maschine hat einen driftenden Arbeitspunkt, je nachdem, wo der Ingenieur die Grenzwerte wünscht. Uberwachungssoftware kann vorgesehen sein, um die adaptive Kompensation zu realisieren.

- τι -

In dem Schritt 96 wird die Schweißleistung verringert, sobald die angestrebte maximale Ausdehnung erreicht ist, und die Ausdehnungsgeschwindigkeit wird bei 97 geprüft. Solange die seitliche Änderung der Ausdehnung größer als der voreingestellte Grenzwert^ ist, werden die Schritte 86, 87, 91-97 wiederholt, und die Schweißleistung wird jedesmal verringert, bis die gemessene Ausdehnungsgeschwindigkeit kleiner als der Grenzwert M3 ist. An diesem Punkt (vgl. Fig. 8) läuft die Ausdehnungskurve flach aus. Zwei Dinge sind erforderlich, um die Schweißstufe zu verlassen und in den Temperstufe einzutreten: die absolute Ausdehnung ist^größer als der berechnete maximale Wert L, und die zeitliche Änderung der Ausdehnung ist kleiner als ein minimaler Wert

Während der Temperstufe wird die Schweißleistung in Echtzeit dynamisch eingestellt, um die genaue Abkühlgeschwindigkeit des Werkstückes zu steuern. Die Geschwindigkeit, mit der die Wärme abnimmt, wird gesteuert. Dadurch wird das Werkstück getempert und Wärmespannungen an der Schweißzone, die durch normales schnelleres Abkühlen erzeugt würden, werden verringert. Die Elektrodenkraft und die Abkühlgeschwindigkeit beeinflussen die metallurgischen Eigenschaften der Schweißung, und das kann genau gesteuert werden. Die zeitliche Änderung der Ausdehnung ist zu dieser Zeit negativ.

Gemäß Fig. 7c dienen die Schritte 98 und 99 des Verfahrens zum Regeln des Schweißprozesses zum Verringern der Leistung, zum Senden eines Leistungsimpulses und zum Prüfen der Ausdehnungsgeschwindigkeit. Diese Schritte werden wiederholt, solange die Geschwindigkeit größer als eine Grenze a&^ ist, die eine negative Steigung hat. Wenn die gemessene Ausdehnungsgeschwindigkeit kleiner als diese Grenze ist, wird die absolute Ausdehnung bei 100 geprüft,

"JJZUZo/

--Te -

um festzustellen, ob sie größer als die erste Grenze S. ist, die in Fig. 8 gefunden worden ist. In den Schritten 101-104 wird ein Leistungsimpuls zugeführt, die Ausdehnungsgeschwindigkeit überprüft und die Schweißleistung verringert oder vergrößert, je nachdem, ob die Geschwindigkeit größer als eine obere Grenze Δβ_ oder niedriger als die untere Grenze &&_r ist. Diese Schritte werden wie-

derholt, um die Ausdehnungsgeschwindigkeit zwischen diesen Grenzen zu halten, indem kontinuierliche Schweißleistungsimpulse zugeführt werden, wie es in Fig. 11b gezeigt ist, bis die gemessene Ausdehnung kleiner als S ist.

A.

Wenn sich die Werkstücke weit genug abgekühlt haben, ist die in dem Schritt 100 gemessene Ausdehnung kleiner als ί , und die Leistungsimpulse werden unterbrochen. In dem Schritt 105 wird die absolute Ausdehnung <T wieder so oft wie nötig gemessen, damit das Werkstück bis zu dem Punkt abkühlt, wo die Ausdehnung niedriger als die zweite Grenze (f_ ist, die in Fig. 8 gezeigt ist. Diese zweite Grenze kann eine negative Zahl sein, weil die Elektroden unter Belastung die Oberflächen der Werkstücke eindrücken. In dem letzten Schritt 106 wird ein Befehl zum Anheben des Schweißkopfes angegeben. Die Schweißung ist ausgeführt, und das geschweißte Werkstück wird der Maschine entnommen.

Der adaptive Regler auf Mikroprozessorbasis ist ausreichend vielseitig, so daß andere Schweißvariablen, wie der dynamische Widerstand der Werkstücke, überwacht r.nd zum Steuern des Schweißprozesses benutzt werden können. Der steile Abfall des dynamischen Widerstands gemäß Fig. 4b ist eine Anzeige dafür, daß das Ende der Schweißstufe nahe ist.

Es ist angegeben worden, daß der Schweißprozeß jede Halbperiode bei einer einphasigen Maschine und jede Halbperiode jeder Phase bei einer dreiphasigen Maschine gesteuert wird. Die Leistungssteuerschaltung in der Schweißsteuerschnittstelle 72 (Fig. 6), insbesondere die Thyristor/Ignitron-Schweißsteuerung, wird unter Bezugnahme auf die Fig. 13a-15 erläutert. Die Leistungsvorrichtungen sind phasenanschnittgesteuert und natürlich kommutiert, und die Leistungssteuerschaltung erzeugt Zündsignale, um die positiven und negativen Vorrichtungen einzuschalten. Die Fig. 13a und 13b zeigen eine Halbperiode der Primärkreisspannung und den Stromimpuls für die einphasige Maschine nach Fig. 1. Die Zeit t wird ab der Spannung null gemessen und. ist gleich der Hälfte der Breite des Stromimpulses. Das Erhöhen der verlangten Schweißleistung vergrößert sowohl die Breite als auch die Amplitude des Stromimpulses,· die maximale Breite ist eine volle Halbperiode und gleich T/2. Es sei daran erinnert, daß das Zünden der Thyristoren so gesteuert wird, daß die verfügbare Ausgangsleistung direkt proportional zu dem durch den Mikrocomputer verlangten Schweißleistungswert ist.

Die folgenden Gleichungen zeigen die Gewinnung von I

2 2

als Funktion von I _ec (P = I _Ci. R) :

err. err.

_ft
lit) = - fsin&stdt -t>t>^% (3)

■ ■ -r

/.T/4
eff ' I j

^l2eff. ' I j ¹^^{2 dt (4)}

^J-T

substituiert ergibt sich

• 3S-

^t ι²

^{sin6)tdt dt}

und daraus

I² _eff. = F(T) (6)

2
Das heißt, I _ff ist eine gewisse Funktion von f , der Stromimpulshalbbreite. Die Transformation lautet:

Gleichung (7) ist das analytische Modell der in Fig. gezeigten Schaltung.

Fig. 14a zeigt die Einphasennetzspannung und Fig. 14b den logischen Signalwert der Netzreferenz, der in Fig. 6 als Eingangssignal an der Schweißsteuerschnittstelle 72 angegeben ist. Die Primärkreisspannung und der Sekundärstrom sind in den Fig. 14c bzw. 14d gezeigt. Die Auswirkung des Vergrößerns des Schweißstroms besteht darin, daß die Breite der "Lücke" in der PrimärSpannungskurve verkleinert wird, während durch Verringern des Stroms die Breite der "Lücke" vergrößert wird. Die Thyristorzündimpulse werden mit der Netzreferenz zeitgesteuert. Die obere Linie 14e zeigt die positiven Thyristorzündsignale, und die untere Linie zeigt die negativen Thyristorzündsignale. Dieses sind die den logischen Signalwert aufweisenden Zündimpulse, die durch die Schweißsteuerschnittstelle 72 erzeugt und an die Leistungsvorrichtungszündschaltungen abgegeben werden.

Fig. 15 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild der Lei-

stungssteuerschaltung. Der verlangte Wert der Schweißleistung und der dynamische Widerstand sind bekannt, und die Größe 12 _- wird berechnet und der analytischen Modellschaltung 107 zugeführt. Das Modell ist die Gleichung (7). Die Zeit T wird abgegeben und dem Zeitgeber 108 zugeführt, der den Zündimpuls 109 erzeugt,, welcher entweder an den positiven oder an den negativen Thyristor abgegeben wird. In der ersten Zeile von Fig. 14a ist X = j - t die Zeit ab dem Netzspannungsnullpunkt bis zur Erzeugung des Zündimpulses.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß der adaptive Regler auf Mikroprozessorbasis für Widerstandspunktschweißvorrichtungen Qualitätschweißungen mit guter Wiederholbarkeit erzeugt. Die Kompensation erfolgt über einem Bereich von Werkstück- und Elektrodenzuständen, die in der Fabrik auftreten. Schlechte Schweißungen tverden praktisch ausge~ schlossen. Wenn keine Schweißung hergestellt werden kann oder wenn ein Elektrodenschaden bevorsteht, erzeugt die Maschine eine Diagnosenachricht,, die das Problem angibt.

Leerse

Claims

Λ p. r η t · Dr. Horst Schüler 3320237 6000 Frankfurt/Main 1 (0611) 235555 PATENTANWALT Kaiserstrasse 41 04-16759 mapat d EUROPEAN PATENTATTORNEY Telefon mainpatent frankfurt Telex (0611) 251615 Telegramm (CCITT Gruppe 2 und 3) Telekoplerer 225/0389 Deutsche Bank AG 282420-602 Frankfurt/M. Bankkonto Postscheckkonto

Ihr Zeichen/Your ret. :

Unser Zeichen'Our ref.. 909 2-RD-1 4

Datum/Dato : 1. Juni 198 Vo/Me/Vl

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road Schenectady, N.Y./U.S.A.

Ansprüche:

./'Verfahren zum Kegeln eines Widerstandspunktschweiß-Prozesses, der auf einer Schweißmaschine ausgeführt wird, die eine mechanische Elektrodenkraft auf die Werkstücke ausübt und einen Sekundärkreis hatv der an die Elektroden Leistung abgibt, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Diagnostizieren des Zustande der Werkstücke und der Maschine vor dem Schweißen durch Messen gewisser Variabler; Abbrechen des Prozesses, wenn wenigstens eine Variable nicht innerhalb vorbestimmter Grenzen ist; und Zuführen von Leistungsimpulsen zum Schweißen der Werkstücke, nachdem festgestellt worden ist, daß sämtliche Variablen innerhalb des Bereiches sind, so daß eine akzeptable Schweißung erzielbar ist.

2„ Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt des Anpassens der Werkstücke vor dem Schweißen durch Zuführen wenigstens eines Leistungsimpulses, um eine Variable, die anfänglich außerhalb der Grenzen ist, in den Bereich innerhalb der vorbestimmten Grenzen zu

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_ τ —

bringen.

3 ο Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Störung durch den Sekundärkreis abgefühlt wird und daß Schweißparameter, aus denen wenigstens einige der Variablen gewonnen werden, abgefühlt werden, wenn die elektromagnetische Störung null ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zu den gemessenen Variablen die Gesamtdicke der Werkstücke, die Elektrodenkraft und der dynamische Widerstand.,des .Werkstücks, der aus der Spannung an den Elektroden und dem Elektrodenstrom berechnet wird, wenn die zeitliche Änderung des Stroms null ist, gehören.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch den Schritt des Anpassens der Werkstücke vor dem Schweißen, um ein Problem der mechanischen Passung oder der Oberflächenverunreinigung zu korrigieren, indem ein oder mehrere Leistungsimpulse zugeführt werden, um den dynamischen Widerstand zu verringern, bis er innerhalb der Grenzen ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Schritte des Berechnens der Sollausdehnungswerte aus der ι Gesamtdicke der Werkstücke, des Messens der Werjcstückwärmeausdehnung und, in dem Fall negativer Ausdehnung, die bedeutet, daß ein Passungsproblem vorhanden war, des erneuten Messens der Gesamtdicke der Werkstücke, um die Sollausdehnungswerte erneut zu berechnen.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Diagnoseangabe der Bedienungsperson angezeigt

Art « * f

wird, die den Grund für das Abbrechen des Prozesses und, wenn möglich, eine vorzunehmende Korrektur angibt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenverschiebung und die elektromagnetisehe Störung durch den Sekundärkreis abgefühlt werden, daß die Kraft, die Spannung und der Strom abgefühlt werden, wenn die Störung null ist, und daß zu den gemessenen Variablen, die daraus gewonnen werden, die Wärmeausdehnung der Werkstücke und der dynamische Widerstand der Werkstücke gehören.

9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch den Schritt des Anpassens der Werkstücke vor dem Schweißen, wenin der gemessene dynamische Widerstand oberhalb der Grenzen, aber nicht höher als ein vorbestimmter Wert ist, um Probleme der mechanischen Passung oder der Oberflächenverunreinigung zu korrigieren, indem ein oder mehrere Leistungsimpulse den Werkstücken zugeführt werden, damit der dynamische Widerstand verringert wird, bis er innerhalb der Grenzen ist, \^ährend ansonsten der Prozeß abgebrochen wird.

10. Verfahren zum Regeln eines Widerstandspunktschweißprozesses, der auf einer Schweißmaschine ausgeführt wird, die eine mechanische Elektrodenkraft auf die Werkstücke ausübt und einen Primärkreis sowie einen Sekundärkreis hat, der an die Elektroden Leistung abgibt, gekennzeichnet durch folgende Schrittes

Diagnostizieren des Zustands der Werkstücke und der Maschine vor dem Schweißen durch Messen von gewissen Variablen und Feststellen, ob diese Variablen innerhalb vorbestimmter Grenzen sind;

Zuführen von Leistungsimpulsen zum Schweißen der Werkstücke und dynamisches Einstellen der Schweißleistung nach jedem

Leistungsimpuls als Funktion der Werkstückwärmeausdehnung und der Ausdehnungsgeschwindigkeit, um die Bildung eines Schweißklumpens zu steuern; und

Zuführen von zusätzlichen Leistungsimpulsen und dynamisches Einstellen der Schweißleistung nach jedem Leistungsimpuls , um die Abkühlgeschwindigkeit zu steuern und das geschweißte Werkstück zu tempern.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,

daß die Werkstückwärmeausdehnung und die Wärmeausdehnungs- k geschwindigkeit nach jedem Schweißleistungsimpuls gemessen und mit einer bekannten maximalen Ausdehnung bzw. mit voreingestellten Ausdehnungsgeschwindigkeitsgrenzwerten verglichen werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißleistung nach jedem Schweißleistungsimpuls gemessen und erhöht oder verringert wird, um die Ausdehnungsgeschwindigkeit und die Leistung innerhalb von Grenzen zu bringen und abgeplattete Elektroden und eine Stromableitung zu kompensieren.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Diagnoseschritt beinhaltet, die Gesamtdicke der Werkstücke zu messen und die maximale Ausdehnung zu berechnen, und daß Leistungsimpulse zugeführt werden, um den Schweißklumpen zu bilden, bis die maximale Ausdehnung überschritten wird und die Ausdehnungsgeschwindigkeit kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, und anschließend während der Abkühlstufe, bis die Wärmeausdehnung niedriger als ein vorbestimmter Wert ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenverschiebung, die Elek- /

trodenkraft, die Elektrodenspannung und der Elektrodenstrom in jeder Halbperiode abgefühlt werden, daß eine Zählung der Leistungsimpulse durchgeführt wird und daß der dynamische Widerstand, die Schweißleistung, die Werkstückwärmeausdehnung und die Ausdehnungsgeschwindigkeit in jeder Halbperiode berechnet werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Störung des Sekundärkreises abgefühlt wird und daß die Kraft, die Spannung und der Strom abgefühlt werden, wenn die Störung null ist.

16ο Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, gekennzeichnet durch den Schritt des Anpassens der Werkstücke vor dem Schweißen durch Zuführen von einem oder mehreren Leistungsimpulsen, um eine Variable, die anfänglich außerhalb von Grenzen war, in den Bereich innerhalb der vorbestimmten Grenzen zu bringen.

17. Adaptiver Regler, der mehrere Variable berücksichtigt, für eine Widerstandspunktschweißmaschine, die eine mechanische Elektrodenkraft auf die Werkstücke ausübt und einen Primärkreis mit Leistungsvorrichtungen zum Steuern des Stroms und einen Sekundärkreis hat, welcher den Elektroden Leistungsimpulse zuführt, gekennzeichnet durch: mehrere Fühler (37, 38, 39, 64) an der Maschine, die ausgewählte Maschinen- und Werkstückparameter abfühlen; eine erste Einrichtung (62) zum Diagnostizieren des Zustands der Maschine und der Werkstücke (22, 23) vor dem Schweißen durch Erzeugen von Leistungsvorrichtungszündsignalen, um wenigstens einen Diagnoseimpuls niedriger Leistung zu erzeugen, Gewinnen von gewissen Schweißvariablen aus diesen Parametern und Feststellen, ob diese Variablen innerhalb vorbestimmter Grenzen sind oder nicht, um eine akzeptable Schweißüng durchzuführen bzw. den Schweißprozeß abzubrechen, wenn die Variablen nicht innerhalb der vorbestimmten Gren-

zen sind; und

eine zweite Einrichtung (50, 72) zum Erzeugen von Leistungsvorrichtungszündsignalen, um mehrere Leistungsimpulse zu erzeugen, zum Messen der Schweißleistung und von ausgewählten Werkstückvariablen nach jedem Leistungsimpuls und zum dynamischen Einstellen der Schweißleistung nach jedem Leistungsimpuls, um die Bildung eines Schweißklumpens (24) und die Abkühlgeschwindigkeit zu steuern und die Schweißung zu tempern.

18. Regler nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstückvariablen die Werkstückwärmeausdehnung und die Ausdehnungsgeschwindigkeit sind.

19. Regler nach Anspruch 17 oder 18, gekennzeichnet durch eine dritte Einrichtung zum Anpassen der Werkstücke (22, 23) vor dem Schweißen durch Erzeugen von Leistungsvorrichtungszündsignalen, um einen oder mehrere Leistungsimpulse zu erzeugen, damit eine Schweißvariable, wie beispielsweise der dynamische Werkstückwiderstand, die am Anfang außerhalb von vorbestimmten Grenzen war, in den Bereich innerhalb der Grenzen gebracht wird.

20. Regler nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühler Kraft-, Spannungs- und Stromfühler (34, 38, 39, 64) und einen Fühler (66) für elektromagnetische Störung umfassen, wodurch Analogsignale, die durch die Fühler erzeugt werden und durch elektromagnetische Störung gefährdet sind, abgetastet werden können, wenn die Störung null ist.

21. Regler nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung eine Einrichtung (45) hat, die der Bedienungsperson den Grund für das Abbrechen des Schweißprozesses anzeigt.

22. Kombination eines mehrere Variable berücksichtigenden adaptiven Regel- und Qualitätssicherungssystems mit einer Widerstandspunktschweißmaschine, die eine mechanische Elektrodenkraft auf die Werkstücke ausübt und einen Primärkreis mit Leistungsvorrichtungen zum Steuern des Stroms und einen Sekundärkreis hat, der den Elektroden Leistungsimpulse zuführt, gekennzeichnet durch:

mehrere Fühler (37, 38, 39, 64, 66) an der Maschine, die abgewählte Maschinen- und Werkstückparameter abfühlen; ein Mikrocomputersystem (50) und Schnittstellen (62, 65, 68, 69, 70) zum Anlegen der durch die Fühler erzeugten Signale an das Mikrocomputersytem und zum Weiterleiten von 'durch das Mikrocomputersytem erzeugten Befehlen zu der Schweißmaschine;

wobei das Mikrocomputersystem und die Schnittstellen eine Einrichtung (62) umfassen zum Diagnostizieren des Zustands der Maschine und der Werkstücke (22, 23) vor dem Schweißen durch Feststellen, ob gewisse Schweißvariable, die aus den gemessenen Parametern gewonnen werden, innerhalb bestimmter Grenzen sind, um eine akzeptable Schweißung realisieren zu können, und, wenn das nicht der Fall ist, den Schweißprozeß abzubrechen; und eine Einrichtung (72) zum Erzeugen von Leistungsvorrichtungszündsignalen zum Erzeugen von Leistung s impuls en und zur dynamischen Einstellung der Schweißleistung in jeder Halbperiode des Schweißstroms als Funktion der Werkstückwärmeausdehnung und der Ausdehnungsgeschwindigkeit, um die Bildung eines Schweißklumpens (24) und die Abkühlgeschwindigkeit des geschweißten Werkstückes zu steuern.

23. Kombination nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Fühlern ein Fühler (66) für elektromagnetische Störung gehört, wodurch andere Fühler abgefragt werden können, wenn die Störung null ist.

24. Kombination nach Anspruch 22 oder 23, gekennzeichnet durch eine Hardwarearithmetikschnittstelle (69) zum Vergrößern der Rechenkapazität des Mikrocomputersystems (50).

25. Kombination nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstellen (62, 65, 68, 69, 71)„ die die Verbindung mit der Schweißmaschine herstellen, eine Leistungssteuerschaltung umfassen, die die Leistungsvorrichtungszündsic,nale in jeder Halbperiode des Schweißstroms erzeugt und aus einer Suchtabelle (107), in welcher eine Funktion von T , einer Zeit, die gleich der Hälfte der Stromimpulsbreite ist, als Funktion von

2
I _ff ausgedrückt ist, wobei I der Schweißstrom ist, und aus einem Zeitgeber (108) besteht, der die Zündsignale zu einer Zeit nach dem Primärkreisspannungsnulldurchgang erzeugt, die von T abhängig ist.