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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Regelung eines Elektroschweißvorganges gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 3. Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind aus der DE- AS 10 14 682 bekannt.
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Es gibt bereits eine große Anzahl von sehr verschiedenen Schweißregelsystemen. Viele Systeme überwachen den Strom oder die Spannung und benutzen diese Daten zur Erzeugung von Signalen, die in ein Rückkoppelnetzwerk eingegeben werden, um den Schweißvorgang zu überwachen und zu regeln.
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Auch wurden individuelle Parameter, z. B. Strom, Spannung und Verschiebegeschwindigkeiten benutzt, um einen Mittelwert für die Wärmezufuhr zu erhalten. Diese Technik ergibt jedoch ein verzögertes Regelsignal und erlaubt es nicht, die Wärmezufuhr während des laufenden Prozesses so zu ändern, daß ein gegebenes Maß an Wärmezufuhr aufrechterhalten bleibt.
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Es ist in vielen Fällen jedoch wichtig, bei einem Schweißvorgang eine konstante Wärmezufuhr vorzusehen. Ein Beispiel für die Bedeutung der Aufrechterhaltung einer konstanten Wärmezufuhr bei einem Lichtbogen-Schweißvorgang ist die Herstellung eines LKW-Rades. Dabei wird eine Scheibe aus relativ dünnem kaltbearbeitetem Material an eine relativ dicke Felge, die im allgemeinen aus warmgewalztem Material besteht, angeschweißt. Es ist wichtig, beim Lichtbogenschweißen solcher Räder die Wärmezufuhr exakt einzustellen, um eine minimale Einbrandtiefe und Aufheizung zu erreichen, damit die von der Wärme betroffene Zone nur ganz wenig ausglüht und die Festigkeit in der kaltbearbeiteten Scheibe erhalten bleibt.
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Aus der eingangs erwähnten DE-AS 10 14 682 ist ferner eine Regelung eines Elektroschweißvorganges bekannt, bei dem zur Konstanthaltung des Verhältnisses der Schweißstromstärke zur Schweißgeschwindigkeit die Schweißgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Istwert der Schweißstromstärke gesteuert wird. Zusätzlich kann die Zuführgeschwindigkeit des Drahtes mit einem einstellbaren Proportionalitätsfaktor an die Schweißgeschwindigkeit angekoppelt werden. Darüber hinaus erfolgt eine Konstanthaltung der Schweißspannung durch einen eigenen Regelkreis. Diese Art der Regelung ergibt jedoch ebenfalls keine konstante Wärmezufuhr pro Längeneinheit der Schweißnaht bzw. Temperatur an der Schweißstellen.
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Aus der DE-OS 18 04 943 ist außerdem eine Regelung eines Elektroschweißvorganges bekannt, bei dem die Steuerung der Drahtzufuhrgeschwindigkeit allein in Abhängigkeit vom Schweißstrom und unabhängig von Änderungen der anderen Parameter erfolgt und die Ausgangsspannung wiederum für sich und unabhängig von den anderen Parametern konstant gehalten wird. Auch diese Regelung ermöglich keine konstante Temperatur an der Schweißstelle.
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Es ist somit Aufgabe der Erfindung, das Verfahren bzw. die Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Wärmezufuhr auf einem vorgegebenen Wert konstant gehalten werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. 3 gelöst.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des Patentanspruchs 2.
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Erfindungsgemäß wird ein elektrisches Bezugssignal abgeleitet, das die Schweißgeschwindigkeit bezüglich eines Werkstückes, den Schweißstrom und die Schweißspannung repräsentiert, die zur Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Temperatur am Werkstück erforderlich sind. Während des Schweißvorganges werden elektrische Signale abgeleitet, die diese Parameter ebenso repräsentieren. Zwei der elektrischen Signale werden mit dem elektrischen Bezugssignal kombiniert, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das im wesentlichen dem Signal entspricht, das einen der Parameter repräsentiert, die zur Erzeugung des elektrischen Bezugssignals benutzt werden. Die kombinierten Signale beziehen sich auf den gleichen Parameter, z. B. den Strom. Das Ausgangssignal der kombinierten Signale wird mit dem korrespondierenden elektrischen Signal verglichen, das während des Schweißvorganges abgeleitet wird, um ein Fehlersignal zu erzeugen. Das Fehlersignal dient in einem Rückkoppelnetzwerk zur Steuerung der ausgewählten Funktion, um die gewünschte gleichmäßige Temperatur am Werkstück aufrechtzuerhalten.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
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Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schweißeinrichtung,
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Fig. 2 ein Blockschaltbild der Schweißeinrichtung der Fig. 1 mit weiteren Einzelheiten, und
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Fig. 3A und Fig. 3B in zwei zusammengehörigen Zeichnungen schematisch und teilweise in Form eines Blockschaltbildes Schaltungseinzelheiten eines Ausführungsbeispiel.
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Zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird herkömmliche Schweißvorrichtung vorausgesetzt. In einer solchen Vorrichtung wird ein Lichtbogenschweißvorgang ausgeführt, um zwei Teile zusammenzufügen. Beim Schweißen wird ein Schweißwerkzeug verwendet, bei dem Draht von einer Schweißpistole kontinuierlich zum Werkstück zugeführt wird, um einen Lichtbogen zwischen dem Draht und dem Werkstück zu erzeugen, der den Draht und das Werkstück aufheizt und schmilzt, wodurch den Schweißstelle gebildet wird.
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Die bei einer solchen Schweißvorrichtung einbezogenen Parameter sind die Lichtbogenschweißspannung, der Lichtbogenstrom, bezogen auf die Drehtzufuhrrate, und die Geschwindigkeit des entsprechenden Werkstückes. Erfindungsgemäß wird ein Steuersignal erzeugt, das eine vorbestimmte Lichtbogenspannung, einen vorbestimmten Lichtbogenstrom ( Drahtzufuhrrate), und eine vorbestimmte Werkstückgeschwindigkeit berücksichtigt. Es wird ein elektrisches Signal erzeugt, das eine geeignetes Kombination dieser drei Parameter repräsentiert. Die Wärmezufuhr ist die Energie in Joule pro cm der Werkstücklänge. Dieses Signal repräsentiert die Wärmezufuhr zum Werkstück, die während des Schweißvorganges konstant gehalten werden soll.
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In Fig. 1 ist eine Multiplizier/Dividierschaltung 10 dazu vorgesehen, Signale zu empfangen, u. a. den an der Schweißmaschine 14 abgeleiteten Schweißstrom-Istwert I A auf der Leitung 12, den auf der Leitung 16 abgeleiteten Schweißspannungs-Istwert E A und den auf der Leitung 18 abgeleiteten Schweißgeschwindigkeits-Istwert S A des Werkstückes bezüglich des Schweißwerkzeugs. Die Signale auf den Leitungen 12, 16 und 18 sind analoge Spannungssignale, die die beteiligten Parameter repräsentieren.
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Die Temperatur-Führungsgröße H C wird über die Leitung 20 an die Schaltung 10 angelegt. Die Temperatur- Führungsgröße H C ist ein vorbestimmtes Analogsignal, das für einen vorbestimmten Schweißstrom und eine vorbestimmte Schweißspannung und Schweißgeschwindigkeit steht, die in die Schweißmaschine 14 einprogrammiert sind. Die Temperatur-Führungsgröße H C repräsentiert die an der Schweißstelle gewünschte Temperatur. Die Schaltung des Blockes 10 führt eine Reihe von Berechnungen durch, um ein Ausgangs-Fehlersignal ε auf der Leitung 22 zu erzeugen.
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Die Schaltung 10 enthält verschiedene Multiplizier/ Dividierschaltungen und eine Vergleichsschaltung, die im folgenden näher beschrieben wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Istwert I A des Schweißstroms mit dem errechneten Strom I C , der zur Erzeugung der Temperatur-Führungsgröße H C auf der Leitung 20 dient, verglichen. Der algebraische Vergleich dieser beiden Signale erzeugt ein Fehlersignal ε auf der Leitung 22. Dieses Temperaturregel- oder Fehlersignal ε wird benutzt, um einen Drahtzuführungsmechanismus zu beschleunigen oder zu verlangsamen, wodurch wiederum der Lichtbogen- bzw. Schweißstrom auf dem durch die Temperatur-Führungsgröße H C auf der Leitung 20 bestimmten Sollwert stabilisiert wird.
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Die Temperatur-Führungsgröße H C wird mit dem Signal, das den Schweißgeschwindigkeits-Istwert S A darstellt, multipliziert. Das Produkt wird dann durch das den Schweißspannungs-Istwert E A darstellende Signal dividiert, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das dem Schweißstrom-Sollwert I C proportional ist, der zur Erzeugung der gewünschten Temperatur erforderlich ist. Der Schweißstrom-Istwert I A auf der Leitung 12 wird subtrahiert oder algebraisch mit dem resultierenden Signal verglichen, das aus der Temperatur-Führungsgröße H C , dem Schweißgeschwindigkeits-Istwert S A und dem Schweißspannungs-Istwert E A berechnet wird, um das Fehlersignal ε auf der Leitung 22 zu erzeugen, das seinerseits dazu benutzt wird, den Antriebsmechanismus der Drahzuführung zu beschleunigen oder zu verlangsamen und die Drahtzufuhrrate der Schweißmaschine 14 zu erhöhen oder zu erniedrigen.
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Der Aufbau der Schaltung 10 zeigt, wie das Fehlersignal e durch die algebraische Summation zweier Stromsignale erzeugt wird. Es kann in manchen Fällen wünschenswert sein, das Eingangsspannungssignal und in anderen Fällen das die Werkstückgeschwindigkeit repräsentierende Signal zu Erzeugung des Fehlersignals zu benutzen, indem jedes Signal einzeln mit seinem entsprechenden Bezugssignal verglichen wird.
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In Fig. 2 sind anfänglich drei Parameter an der Erzeugung des analog-Ausgangssignal beteiligt. Die Temperatur-Führungsgröße H C wird von der Wärmezufuhrschaltung 24 abgeleitet, die die Joule pro cm Werkstücklänge repräsentiert. Das von der Multiplizier/ Dividierschaltung 26 erzeugte Signal wird durch eine Verknüpfung der drei Parameter Temperatur-Führungsgröße H C , Schweißspannungs-Istwert E A und Schweißgeschwindigkeits-Istwert I A festgelegt, so daß sich ein Analogsignal ergibt, das den zur Erzielung der gewünschten Wärmezufuhr erforderlichen Schweißstrom-Sollwert I C repräsentiert. Das Ausgangssignal der Schaltung 24 wird zur Multiplizier/ Dividierschaltung 26 geführt. Ein Geschwindigkeitssignal von einem geeigneten Meßwertumwandler, das die Geschwindigkeit des Werkstückes darstellt, wird in einer Geschwindigkeitssignalkonditionierschaltung 28 konditioniert und skaliert und zu der Multiplizier/ Dividierschaltung 26 geführt. Die Signale von der Wärmezufuhrschaltung 24 und der Geschwindigkeitssignalkonditionierschaltung 28 werden in der Schaltung 26 multipliziert. Das Schweißspannungssignal wird in der Schaltung 30 konditioniert und der Multiplizier/Dividierschaltung 26 zugeführt. Das Schweißspannungssignal wird mit dem Produkt der beiden Signale aus den Schaltungen 24 und 28 kombiniert, um ein Signal zu erzeugen, das das idealisierte Stromsignal darstellt, das zur Ableitung des idealisierten Wärmezufuhrsignales in der Schaltung 24 benutzt wird. Das Produkt des Wärmezufuhrsignales und des konditionierten Geschwindigkeitssignales wird durch das Schweißspannungssignal dividiert, um ein Signal zu erzeugen, das das idealisierte Stromsignal darstellt. Dieses Stromsignal repräsentiert einen Standard bzw. ein Bezugssignal, dem zu folgen ist, um den Prozeß bei der gewünschten gleichmäßigen Wärmezufuhr zu halten. Das Regelnetzgerät 32 dient zur Spannungsversorgung der verschiedenen Schaltungen.
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Das Ausgangssignal der Multiplizier/Dividierschaltung 26 und das Schweißstromsignal von Schaltung 38 werden am Punkt 36 über Summierwiderstände 34 und 74 summiert. Das aus den Schaltungen 26 und 38 am Punkt 36 gewonnene Fehlersignal wird durch einen Ausgangssignal-Verstärker 40 verstärkt. Der Ausgangssignalverstärker 40 erzeugt auf der Leitung 22 ein Fehlersignal, das den Antriebsmechanismus 44 einer Drahtzuführung in der Schweißmaschine 43 steuert. Zum Zwecke der Illustration ist eine Schweißpistole 45 gezeigt, die einen Draht 47 abgibt, um eine Schweißnaht auf einem Werkstück 49 herzustellen, das durch eine herkömmliche Vorrichtung bewegt wird. Als Werkstück ist beispielshaft ein Rad gezeigt.
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Die Drahtgeschwindigkeit steht in Beziehung zum Schweißstrom. Wird der Draht dem Schweißlichtbogen zu schnell zugeführt, so nimmt der Schweißstrom zu, da eine Konstantspannungsquelle verwendet wird, so daß von dem Draht 47 mehr abgebrannt wird. Wenn der Draht 47 den Lichtbogen zu langsam erreicht, wird der Schweißstrom reduziert, so daß eine gegebene Lichtbogenlänge (Lichtbogenspannung) aufrechterhalten wird und nicht so viel von dem Draht abgeschmolzen wird. Es besteht also eine direkte Beziehung zwischen der Drahzufuhrrate und dem Lichtbogen- bzw. Schweißstrom. Folgerichtig ist es relativ leicht, die Geschwindigkeit der Drahtzufuhr zu steuern, anderereseits ist es nahezu unmöglich, den tatsächlichen Strom an sich zu steuern.
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Das Fehlersignal wird an die Motor-Ansteuerschaltung der Drahtzuführungseinrichtung gelegt und veranlaßt den Drahtzuführungsmotor, in Reaktion auf die momentanen Signalwerte schneller oder langsamer zu werden. Durch das Rückkoppelnetzwerk ist das momentane Fehlersignal auf einen annehmbar niedrigen Wert reduziert. Im wesentlichen beinhaltet das vorliegende Verfahren den Vergleich eines vorberechneten Wertes von einem der Schweißparameter mit dem tatsächlichen, während des Schweißvorganges ermittelten Wert des gleichen Parameters. Die zusammengehörigen Zeichnungen 3A und 3B enthalten Einzelheiten der Schaltungen, um die Wirkungsweise der verschiedenen Blöcke in Fig. 2 zu zeigen. Von wesentlicher Bedeutung ist die Schaltung 26, ein integrierter Schaltkreis mit Multiplikations- und Divisionsfunktionen. Dieser spezielle Schaltkreis empfängt das Stellsignal bzw. die Führungsgröße von der Wärmezufuhrschaltung 24, multipliziert dies mit einem Geschwindigkeitssignal von der Geschwindigkeitssignalkonditionierschaltung 28 und dividert das Produkt durch ein Spannungssignal von der Schaltung 30, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das den zu steuernden Schweißstrom repräsentiert.
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Der integrierte Schaltkreis 46 ist eine handelsübliche Ausführung; er empfängt über die Leitung 48 ein digitales Geschwindigkeitregelsignal und wandelt dieses in eine proportionale Gleichspannung um. Das Eingangssignal des Schaltkreises 46 kann eine Serie von Impulsen sein, die zum Beispiel die Anzahl von Zähnen eines Zahnrades im Antriebsmotor zählen, oder andere geeignete Methoden. Das entsprechende Zahnrad kann z. B. an einem Sensor vorbeilaufen, der Impulse erzeugt.
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Ein Regelwiderstand 50 dient zur Einstellung des genauen Skalenfaktors, um für eine bestimmte Anzahl von Zähnen eines Zahnrades pro Sekunde, entsprechend der Umlaufgeschwindigkeit des Zahnrades, eine bestimmte Ausgangsspannung zu erhalten. Zum Beispiel kann der Skalenfaktor so gewählt sein, daß ein Volt gleich 25 cm pro Minute Schweißgeschwindigkeit ist.
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Ein integrierter Schaltkreis 52 ist ein Impedanzwandlerverstärker, der das Signal an einen niedrigen Impedanzwert zur Verarbeitung in einem integrierten Schaltkreis 54 anpaßt. Der integrierte Schaltkreis 54 ermöglicht es, das Geschwindigkeitseingangssignal am Prozessor zu modifizieren, um die Änderungen in der Schweißgeschwindigkeit zu korrigieren, wenn das Rotationszentrum des Werkstückes feststeht und der Werkstückdurchmesser variabel ist.
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Die Schaltung 24 enthält einen integrierten Schaltkreis 56 und ein Potentiometer 58, das die Auswahl der erforderlichen Temperatur-Führungsgröße erlaubt. Die Führungsgröße ist eine Analogspannung, die proportional zu der Wärmezufuhr in Joule pro cm ist. Zum Beispiel können 10 V am Potentiometer einer Wärmemenge von 40 000 Joule pro cm entsprechen. Ein Potentiometer 60 dient als Regeleinrichtung, um eine Anpassung der Verstärkung zu ermöglichen, damit die genauen Multiplikations/Divisionsfunktionen in der Schaltung 26 erzeugt werden.
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Regler 61 und 62 im Regelnetzgerät dienen zum Abgleichen der integrierten Schaltung 26, so daß diese die Multiplikationen und Divisionen über eine weiten Spannungsbereich der Eingangssignalpegel von ungefähr 0,01 V bis zu 10 V an jedem der drei Eingänge linear ausführt.
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Die Schweißspannung, welche direkt am Schweißstromkreis zwischen der Anode (Draht) und der Schweißstromerde am Schweißgut abgenommen wird, wird über zwei Widerstände 64 und 66 abgeleitet. Diese Widerstände dienen zur Reduzierung der hohen Schweißspannungen auf den passenden Analogpegel der integrierten Schaltung 26.
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Das Stromsignal wird in dem integrierten Schaltkreis 68 verarbeitet. Dieser Strom wird mit Hilfe des Hochstromshunts (Nebenschlußwiderstands), der in Serie mit der Erde (Masse) des Schweißstromkreises geschaltet ist, gemessen. Der Spannungsabfall über den Nebenschlußwiderstand (Shunt- Widerstand) 70 wird dem mit einem Rückkoppelwiderstand 72 versehenen integriertenSchaltkreis 68 zugeführt. Der Rückkoppelwiderstand 72 bestimmt den Verstärkungsfaktor des Verstärkungs-IC's 68 und hat den gleichen Skalenfaktor in Ampere wie der Ausgang der Schaltung 26.
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Die Polarität der Ausgangssignale von den Schaltungen 26 und 38 sind dergestalt, daß, wenn die Ausgangssignale der Schaltungen 26 und 38 kombiniert werden, das Ausgangssignal der Schaltung 38 vom Ausgangssignal der integrierten Schaltung 26 subtrahiert wird. Am Schaltungspunkt 36 entsteht eine Fehlerspannung, die gleich der Differenz zwischen den Schweißstrom-Sollwerten aus der Schaltung 26 und den Schweißstrom-Istwerten von der Schaltung 38 ist. Dieses Fehlersignal wird an einen Integrator- IC 78 der Schaltung 40 über einen Widerstand 76 angelegt.
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Der Ausgangskreis des IC's 78 wird durch ein Potentiometer 80 gesteuert, das einen Abgleich erlaubt, so daß ein Referenzpegel am Ausgang des Vertärkers 40 vorgesehen werden kann, um eine minimale Drahtzuführungsgeschwindigkeit für ein bestimmtes Drahtmaß festzusetzen, das auf ein Drahtmaß, das sich gerade in der Maschine befindet, anwendbar ist. Das Ausgangssignal des Vertärkers 40 wird über zwei Dioden 82 und 84 an die Ansteuerschaltung des Motors der Drahzuführung in der Schweißmaschine geführt (Fig. 2).
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Verschiedene der einzeln aufgeführten Elemente der elektrischen Schaltungen sind dem Fachmann bekannt. Zum Beispiel dienen die gezeigten Widerstandsnetzwerke dazu, die Spannungen auf den Pegeln festzulegen, bei denen die verschiedenen integrierten Schaltkreise arbeiten. Die verschiedenen Kondensatoren dienen zur Kopplung oder Überbrückung von Signalen in der bekannten Art.
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Die vorliegende Erfindung ist vor allem in Verbindung mit dem Vergleich einzelner oder mehrerer Signale, die Schweißparameter darstellen, beschrieben. Wie erwähnt, kann einer der drei Parameter Lichbogenstrom, Lichtbogenspannung oder Werkstückgeschwindigkeit dazu benutzt werden, ein Fehlersignal zu erzeugen. Das heißt, daß die Multiplizier-/ Dividierschaltung 26 verschiedene Formen annehmen kann, um verschiedene mathematische Operationen in bekannter Art und Weise auszuführen, um das gewünschte Fehlersignal zu erhalten.