DE3511707C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
Ein Verfahren dieser Art ist aus der DE-OS 31 50 813 be
kannt. Bei diesem bekannten Verfahren werden ständig zwei
Parameter gemessen, nämlich die Pendelbreite der Elektrode
und die von der Elektrode beschriebene Fläche: Die gemesse
nen Werte werden zur Steuerung der Elektrodenbewegung heran
gezogen. Das Verfahren ist nur für verhältnismäßig kleine
Schweißströme anwendbar, da bei größeren Schweißströmen sei
ne Vorbedingungen nicht eingehalten werden können.
Durch die Erfindung soll ein Verfahren dieser Art derart
verbessert werden, daß es einfacher durchzuführen und auch
bei höheren Schweißströmen einwandfrei anwendbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist einfacher durchzuführen,
da nur mehr ein einziger Parameter, nämlich die Pendelbreite
der Elektrode, gemessen und zur Steuerung der Elektrodenbe
wegung herangezogen wird. Für eine exakte Durchführung des
Verfahrens besteht keine Beschränkung auf kleine Schweißströ
me. Es bestehen darüber hinaus auch keinerlei Einschränkungen
hinsichtlich der Einhaltung eines bestimmten Schweißwe
ges oder Abstandes der Elektrode sowie der Lage der Schweiß
raupe. Es ist somit auf beliebige Lagen der Schweißraupe an
wendbar.
Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Anhand der Figuren werden Ausführungsbeispiele der Erfindung
näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung des grundsätzlichen
Aufbaus einer Schweißvorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens gemäß der Erfindung,
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Grundschaltung für die
Steuerung einer konstanten Lichtbogenlänge durch den
Motor für die Y-Achse in der Schweißvorrichtung von
Fig. 1,
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Steuerschaltung für den Mo
tor der X-Achse in der Schweißvorrichtung von Fig. 1,
Fig. 4A und 4B Diagramme zur Erklärung einer anderen Ausführungs
form der Erfindung,
Fig. 5 und 6 Diagramme zur Erklärung verschiedener Fugenformen,
bei denen das Verfahren gemäß der Erfindung anwendbar
ist,
Fig. 7 ein Beispiel eines Ablaufdiagramms für den Steuervor
gang bei einer Ausführungsform der Erfindung.
Wie in Fig. 1 dargestellt, ist eine Schweißmaschine zur
Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung derart
ausgelegt, daß ein Schweißschlitten 3 längs einer Schweißfu
ge 2 des zu verschweißenden Grundmetalls 1 verschiebbar ist
und eine vom Schweißschlitten 3 gehaltene Schweißelektrode 5
durch Antriebsmechanismen 4Y und 4X für die Vertikalrichtung
(Y-Achse) und für die Richtung der Fugenbreite (X-Achse) in
Richtung der Fugenlinien verschoben und dabei innerhalb der
Fuge in Richtung der Fugenbreite pendelt. Gleichzeitig mißt
eine Wegmeßeinrichtung 6Y, bestehend aus einem Potentiometer
oder dergleichen, die Bewegung der Elektrode 5 in Richtung
der Y-Achse, die dergestalt gesteuert wird, daß die Länge
des Lichtbogens konstant gehalten wird. Desgleichen mißt
eine aus dem Potentiometer oder dergleichen bestehende Weg
meßeinrichtung 6X die Bewegung der Elektrode 5 in Richtung
der X-Achse bei ihrer Pendelbewegung in Richtung der Fugen
breite. Die Elektrode 5 kann entweder eine Abschmelzelek
trode oder eine nichtabschmelzende Elektrode sein. Eine
Schweiß-Energiequelle 7 ist zwischen der Elektrode 5 und dem
Grundmetall 1 angeschlossen, und die Energiequelle 7 enthält
eine konstante Stromquelle oder eine konstante Spannungs
quelle, je nach dem Schweiß-Anwendungsfall. Bezugszahl 8 be
zeichnet eine Lichtbogen-Spannungsmeßeinrichtung, und Be
zugszahl 9 eine Lichtbogen-Strommeßeinrichtung. Diese Meß
einrichtungen sind nur dann vorgesehen, wenn sie vom Stand
punkt der Steuerung aus erforderlich sind.
Die Grundlage des Steuerverfahrens gemäß der Erfindung be
steht in einer konstanten Lichtbogenlänge, welche die pen
delnde Schweißbewegung steuert, die dadurch entsteht, daß
die Elektrode 5 in Richtung der
Breite (X-Achse) innerhalb der Fuge 2 hin- und herbewegt
wird, wobei die Elektrode 5 gleichzeitig in Richtung
der Höhe (Y-Achse) derart verschoben wird, daß die Länge
des Lichtbogens stets konstant bleibt. Die Elektrode
5 wird in Richtung der X-Achse durch den Antriebsmechanis
mus 4X hin- und herbewegt, welcher durch einen X-Achsen-Mo
tor 10X getrieben wird, und die Bewegung der Elektrode
5 in Richtung der Y-Achse erfolgt durch den Antriebsmecha
nismus 4Y, der durch einen Y-Achsen-Motor 10Y getrieben
wird. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der An
triebsmechanismus 4X, der die Elektrode 5 zur Bewegung
in Richtung der X-Achse trägt, auf dem Antriebsmechanismus
4Y dergestalt befestigt, daß es in Richtung der Y-Achse
verschiebbar ist, und der Antriebsmechanismus 4Y am Schlitten
3 befestigt ist, jedoch beschränkt sich die Erfindung in
keiner Weise auf die beschriebene Befestigungsreihenfolge.
Eine Grundschaltung für die Steuerung einer konstanten
Lichtbogenlänge ist, wie in Fig. 2 dargestellt, derart
aufgebaut, daß ein Differenzialverstärker 11 mit der
Lichtbogenspannung von der Lichtbogen-Spannungsmeßein
richtung 8 gespeist wird, wenn die Energiequelle 7 eine
konstante Stromquelle ist; wenn die Energiequelle eine
konstante Spannungsquelle ist, wird er mit dem Lichtbogen
strom von der Lichtbogen-Strommeßeinrichtung 9 gespeist.
Somit erzeugt der Verstärker 11 die Differenz zwischen
dem Eingangswert und dem Bezugswert, der an einer Einstell
einrichtung 12 vorgewählt, die den Y-Achsen-Motor 10Y
mit der Drehzahl antreibt, welche dem Differenzausgang
entspricht. Diese Schaltung hält die Lichtbogenspannung
(bzw. den Lichtbogenstrom) konstant, wodurch auch die
Lichtbogenlänge konstant gehalten wird, und das vordere
Ende der Elektrode 5 wird bei deren Bewegung in Richtung
der X-Achse längs der Fugenwand bewegt.
Diese Elektrodenbewegung in Richtung der X-Achse wird
durch die in Fig. 3 gezeigte Antriebssteuerschaltung
gesteuert. Insbesondere ist der in Fig. 3 dargestellte
X-Achsen-Motor 10X derart ausgelegt, daß er durch eine
Steuerung 15 mit einer durch eine Einstelleinrichtung
14 vorgewählten konstanten Drehzahl betrieben wird, und
die Drehrichtung des X-Achsen-Motors 10X wird jedesmal
umgekehrt, wenn die Steuerung 15 ein Signal vom Umschalt-
Impulsgenerator 16 erhält. Die von der Wegmeßeinrichtung
6Y gemessene Y-Achsen-Verschiebung ey der Elektrode 5
wird mit einem vorgewählten und in einem Speicher 17
gespeicherten Endstellungs-Sollwert eo durch eine Vergleichs
schaltung 18 verglichen, so daß jedesmal, wenn die Gleich
heit zwischen ey und eo festgestellt wird, ein Umschalt-
Steuersignal vom Umschalt-Impulsgenerator 16 als Folge
eines von der Vergleichsschaltung 18 erzeugten Signals
an die Steuerung 15 angelegt wird.
Fig. 4A zeigt die Art, wie die Elektrode 5 durch die Vor
richtung von Fig. 1 mit der Steuereinrichtung von Fig. 2
und 3 bewegt wird, und Fig. 4B zeigt als Beispiel ein
Lageverhältnis zwischen dem entstehenden Schmelzpunkt
und dem vorderen Ende der Elektrode. In diesen Figuren
bezeichnet die Bezugszahl 5a den Weg des vorderen Endes
der Elektrode, 1a die Oberfläche des Grundmetalls, 2a
den Grund der Schweißfuge und 30 das Schmelzgut.
In Fig. 4A wird die Elektrode 5 z. B. zunächst an ein
Ende (a) der Fuge angesetzt. Zu diesem Zeitpunkt wird
die Y-Achsen-Verschiebung als eo gespeichert. Wenn ein
Lichtbogen entsteht und die Bewegung der Elektrode 5
in Richtung der X-Achse beginnt, wird durch die oben
erwähnte Steuerung für eine konstante Lichtbogenlänge
das vordere Ende der Elektrode praktisch längs den Wänden
der Fuge durch die Punkte (a), (b) und (c) in der Figur
bewegt, und es ergibt sich für das vordere Ende der Elek
trode der Weg 5a. Wenn das andere Ende (c) erreicht ist,
wird der Ausgang ey der Wegmeßeinrichtung 6Y wiederum zu
eo, und daher wird die Richtung der X-Achsen-Bewegung durch
die Steuerschaltung von Fig. 3 umgekehrt. Dieser Vorgang
wiederholt sich anschließend in der gleichen Weise.
Die Laufzeit von einer Endlage (a; c) zur entgegengesetzten
Endlage (c; a) der Hin- und Herbewegung wird als eine
Schwingungsperiode bezeichnet. Durch dieses Steuerverfahren
wird selbst dann, wenn der Mittelpunkt der Fuge von der
Bewegungsrichtung des Schweißschlittens abweicht, erreicht,
daß das vordere Ende der Elektrode stets seine Hin- und
Herbewegung innerhalb der Fugenbreite wiederholt und dabei
einen vorgewählten Abstand von der Oberfläche des Grundme
talls oder des Fugengrunds einhält.
Während jeder Schwingungsperiode wird die Schwingungs
breite Ww, die von der X-Achsen-Wegmeßeinrichtung gemessen
werden kann, auf eine Fugenbreite B am Schwingungs-Umkehr
punkt (dem Punkt eo) bezogen, wie durch folgende Glei
chung dargestellt:
B=Ww+2ΔW (1)
In der Gleichung (1) ist ΔW der Abstand zwischen dem
vordere Ende der Elektrode und der Fugenwand am End
punkt der Hin- und Herbewegung; dies ist im wesentlichen
eine Konstante, welche durch die einzuhaltende Licht
bogenlänge bestimmt wird. Somit ändert sich dieser Wert
nicht bei Änderungen der Fugenbreite, wenn der Augenblicks
wert des Schweißstroms und der Lichtbogenspannung konstant
gehalten wird, was durch Versuche bestätigt wurde.
Wenn andererseits Vf die Zuführgeschwindigkeit des Schweiß
drahts darstellt, V die Schweißgeschwindigkeit und A
die Querschnittsfläche des im Verlaufe einer Schwingungs
periode entstehenden Schmelzguts 30, so gilt folgende
Beziehung:
Vf=A · V (2)
Wenn Δh (Δh=eo-h) den Abstand zwischen der Oberfläche
der Schweißraupe und dem Schwingungs-Umkehrpunkt, h die
Raupenbreite und R den Fugenwinkel darstellt, so gilt
folgende Beziehung:
A={(Ww+2ΔW)- 2Δh · tan R-h · tan R)} h (3)
Die Gleichung (3) zeigt, daß dann, wenn die Tiefe der
Schweißfuge (oder die Plattendicke) und der Fugenwinkel
R konstant ist, die gewünschte Querschnittsfläche A des
Schmelzguts, welche stets eine vorbestimmte Raupenhöhe
trotz Schwankungen der Fugenbreite sicherstellt, durch
Berechnung in Abhängigkeit vom Wert der gemessenen Schwin
gungsbreite Ww erzielt werden kann.
Somit kann durch vorherige Eingabe eines Fugenwinkels R,
einer gewünschten Raupenhöhe h, einer durch den Schweiß
strom bestimmten Zuführungsgeschwindigkeit des Schweißdrahts
Vf und der Konstanten ΔW in eine Rechnereinheit, z. B.
einen Mikrocomputer vor Beginn der Schweißung, die geeig
nete Schweißgeschwindigkeit V in Abhängigkeit von der
während jeder Schwingungsperiode gemessenen Schwingungs
breite Ww erzielt werden.
Es wird nunmehr eine vereinfachte Ausführungsform für die
Berechnung der geeigneten Schweißgeschwindigkeit beschrie
ben. Im allgemeinen, und ohne Beschränkung auf die in
Fig. 4A und 4B beschriebenen Schweißfugen, werden die
Schweißbedingungen einschließlich Schweißgeschwindigkeit
Schweißstrom, Zuführungsgeschwindigkeit des Schweißdrahts
etc. als Eingangswerte in Abhängigkeit von der Fugenform
vorbestimmt, und anschließend werden die Schweißbedingungen
in Abhängigkeit von Schwankungen der Fugenbreite geändert.
Wenn gemäß diesem Verfahren die Eingangswerte oder die
Zuführungsgeschwindigkeit des Schweißdrahts bzw. die Schweiß
geschwindigkeit mit Vfo und Vo bezeichnet werden, und
wenn die Schweißung unter diesen Bedingung eingeleitet
wird, ergibt sich nach einer Schwingungsperiode die Quer
schnittsfläche Ao des entstehenden Schmelzguts durch
folgende Gleichung:
Die Schwingungsbreite unter diesen Verhältnissen wird
mit Wwo bezeichnet. Nehmen wir nun an, daß die Fugen
breite sich während der folgende Schwingungsperiode
verändert, so daß sich die Fugenbreite z. B. erhöht und
zu Ww wird. In diesem Fall muß, um eine vorbestimmte
Raupenhöhe h sicherzustellen, die Querschnittsfläche
des Schmelzguts um einen Betrag ΔA=A-Ao erhöht werden.
Das bedeutet, daß in der Gleichung (3) alle Parameter
außer Ww konstant sind, und es gilt daher folgende Gleichung:
ΔA=A-Ao=(Ww-Wwo)h (5)
Daher ist die Schweißgeschwindigkeit V, die erforderlich
ist, um die vorbestimmte Raupenhöhe h sicherzustellen,
durch folgende Gleichung in Übereinstimmung mit den
Gleichungen (4) und (5) gegeben.
Wenn Gleichung (6) verwendet wird, ist es durch Voraus
bestimung einer gewünschten Raupenhöhe h für eine
Schweißfuge mit veränderlicher Fugenbreite möglich, die
geeignete Schweißgeschwindigkeit V für dei nächstfolgen
de Schwingungsperiode in Abhängigkeit von der ursprüng
lichen Schweißgeschwindigkeit Vo und der vor der Schwei
ßung festgesetzten Zuführungsgeschwindigkeit für den Schweiß
draht Vfo sowie die Änderung des Meßwerts der Schwingungs
breite während jeder Periode bzw. des Wertes von Ww-Wwo
zu berechnen.
Da dieses Verfahren unabhängig von dem vorgewählten Wert
des Fugenwinkels anwendbar ist, wenn nur die Fugenwinkel
konstant ist oder sich nicht beträchtlich ändert, be
schränkt sich das Verfahren nicht auf die Fugenformen
von Fig. 4A und 4B, und es ist auch z. B. auf unsymmetri
sche Fugen wie in Fig. 5 dargestellt anwendbar. Auch
wenn die Schweißung in Teilstücken erfolgt, wie in Fig. 6
dargestellt, läßt sich das Verfahren durch vorherige
Festlegung der Lage der X-Achse auf einen Endpunkt a
der Hin- und Herbewegung anwenden.
Fig. 7 zeigt ein Beispiel eines Ablaufdiagramms für den
durchgeführten Steuervorgang, wenn die Steuerung der
Schweißgeschwindigkeit durch einen Mikrocomputer gemäß
Gleichung (6) erfolgt. Bei Schritt 1 wird zunächst eine
gewünschte Schweißraupenhöhe h, ein Ausgangswert Vo der
Schweißgeschwindigkeit und ein Vorgabewert Vfo der Zuführ
geschwindigkeit des Schweißdrahts eingegeben und gespei
chert. Im Schritt 2 wird der Wert von Ao=Vfo/Vo berech
net und gespeichert. Bei Schritt 3 wird die Schweißung
eingeleitet. In diesem Fall erfolgt die erforderliche
Steuerung der Hin- und Herbewegung in Abhängigkeit von
den Bewegungsmechanismen und den Steuerschaltungen von
Fig. 1-3. Nach Abschluß einer Schwingungsperiode bei
Schritt 4 wird die sich ergebende Schwingungsbreite Wwo
in Schritt 5 gemessen. Nachdem die darauffolgende Schwingung
in gleicher Weise eingeleitet und bei Schritt 6 abge
schlossen wurde, wird in Schritt 7 die sich ergebende
Schwingungsbreite Ww gemessen. Es ist zu beachten, daß
die Schweißgeschwindigkeit bis zu diesem Zeitpunkt Vo
beträgt. Sodann wird der Wert von (Ww-Wwo)h in Schritt
8 berechnet,woraufhin die geeignete Schweißgeschwindig
keit V gemäß Gleichung (6) in einem Schritt 9 berechnet
wird. In einem Schritt 10 wird die geeignete Schweißge
schwindigkeit V zum ersten Mal verwendet, und die nächste
Schwingungsperiode wird eingeleitet. Anschließend werden
die Abläufe von Schritt 7 bis 10 wiederholt und die Schwei
ßung dann in Schritt 11 abgeschlossen.
Claims (4)
1. Verfahren zur automatischen Steuerung der Höhe einer
Schweißraupe unter pendelnder Hin- und Herbewegung einer
Schweißelektrode in Richtung der Breite innerhalb einer
Schweißfuge von zwei miteinander zu verschweißenden
Metallteilen, wobei in einem Steuervorgang der Höhenab
stand zwischen dem vorderen Ende der Elektrode und der
Oberfläche der zu verschweißenden Metallteile durch eine
Einrichtung zum Antrieb der Schweißelektrode in axialer
Richtung (Y-Achse) verändert wird, um einen Schweiß
strom- oder einen Lichtbogenspannung-Sollwert aufrecht
zuerhalten und dadurch stets die Lichtbogenlänge kon
stant zu halten, und gleichzeitig die Elektrode in
Richtung der Breite der Schweißfuge (X-Achse) bewegt und
die Bewegungsrichtung in der X-Achse umgekehrt wird,
wenn die Schweißelektrode um einen festgelegten Hubsoll
wert längs der Y-Achse verschoben worden ist, und sodann
der Vorgang dergestalt wiederholt wird, daß der Lichtbo
gen am vorderen Ende der Elektrode veranlaßt wird, genau
der Schweißfuge zu folgen, wenn er über die Breite der
Schweißfuge pendelt, wobei der Höhenabstand von der
Oberfläche der zu verschweißenden Metallteile oder vom
Grund der Schweißfuge zu jedem Endpunkt der Pendelbewe
gung konstant gehalten wird, wobei die Laufzeit von
einem Endpunkt zum anderen Endpunkt der Pendelbewegung
als Periode, die Schweißdraht-Zuführgeschwindigkeit Vfo
und die ursprünglich eingestellte Schweißgeschwindigkeit
Vo festgelegt werden, die Breite Ww in Richtung der
X-Achse der Pendelbewegung während der Dauer der Periode
gemessen wird und die Schweißgeschwindigkeit V in Abhän
gigkeit von der Breite Ww, von einer von der Schweißung
abhängigen Querschnittsfläche und von der Zuführge
schwindigkeit Vf des Schweißdrahts bestimmt wird, diese
Schweißgeschwindigkeit V während der folgenden Periode
der Pendelbewegung ausgeführt wird, und dieser Steuer
vorgang wiederholt wird,
dadurch gekennzeichnet,
- a) daß die gewünschte Schweißraupenhöhe h, die Fugenwin kel R und der Abstand ΔW in Richtung der X-Achse zwischen dem vorderen Ende der Elektrode und einer Wand der Schweißfuge an einem Umkehrpunkt der Pendel bewegung festgelegt wird,
- b) daß die Querschnittsfläche als Querschnittsfläche A des Schmelzguts in Abhängigkeit von der Breite Ww und Wwo der Pendelbewegung in Richtung der X-Achse wäh rend der gegenwärtigen bzw. der vorangehenden Perio de, der gewünschten Höhe h der Schweißraupe, dem Abstand Δh zwischen der Oberfläche der Schweißraupe der Höhe h und einem Umkehrpunkt der Pendelbewegung, den Fugenwinkeln R und dem Abstand ΔW zwischen dem vorderen Ende der Elektrode und einer Wand der Schweißfuge an einem der Umkehrpunkte der Pendelbewe gung in Richtung der X-Achse ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der eine Fugenwinkel R dem anderen Fugenwinekl R gleich
ist, und daß diese Fugenwinkel R in Richtung der
Schweißlinie konstant sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Fugenwinkel R vom anderen Fugenwinkel R verschieden
ist, und daß die Fugenwinkel R in Richtung der Schweiß
linie konstant sind.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß die Schweißgeschwindigkeit V
mit Hilfe der folgenden Gleichung ermittelt wird:
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